局部应力计算方法的对比研究_下

中图分类号: TQ050. 2
文献标识码: A
文章编号: 1009-3281( 2008) 05-0006-07
Comparison and R esearch ofM ethods for Calculating L ocal Stresses( )
Q IN Shu- jing1, W ANG Q i2
有限元方法计算得到的结果在关于横向力对壳 体应力的影响方面在一定程度上支 持了以上的分 析。使用表 4中的结构 1、5、6, 对它们都只分别作 用一个横向力, 该横向力的大小与对这几个结构作 用的沿接管轴向力一样数值, 计算结果如表 6。
表 6 球壳与接管连接结构作用横向力 产生的应力
结构序号 方法 横向力 /N 膜应力 /M Pa 表面应力 /M Pa
摘 要: 在压力容器设计中经常需要考虑管道通过接管而施加于 设备上的 力和力矩, 这些外 力和外力 矩会在容器 与接管连接的局部区域产生高应 力, 从而有可能使得 该区域 的强度 不够而 使容器 失效。长期 以来, 工程中 计算局 部应力最常用的方法为 W RC 107和 W RC 297公报中提供的方法。 当超出这两 个方法的范 围时, 一般会采 用有限 元分析的方法。在 2002年颁布的欧盟压力容器设计标 准 EN 13445中, 提供了 另一种局部 应力计算 方法。在这些 方法重叠的适用范围内, 设计人员可以自行确定选用 哪一个 方法。通过 对这四 种方法 计算结 果的对 比, 分 析这些 方法在工程应用中的安全性和经 济性, 以给设计人员 在方法 选择时 提供参 考。通过对 大量算 例的结 果比较, 可以 确定, EN 方法的结果作 为壳体强度评定的依据是足够安全的, 但不能 作为接 管强度 评定的 依据; W RC 297方法的 应力计算结果一般总是偏于保守 ; 而 W RC 107方法的结果, 一方面没 有给出接管 的应力, 另一方 面, 在 大部分情况 下, 计算得到的壳体应力往往偏小。从理论上讲, 用有限元方法可以得到最可靠的应 力分析结果, 但该 方法相对其 他方法而言, 总是更费时费力。因此, 通过 分析, 对给定的壳体与接管连接结构及 载荷工况下 如何合理 选择另外三 种方法中的一种给出了 一些推荐意见, 从而使得在保证安全的前提下, 可以降低综合设计成本。 关键词: 局部应力; 计算方法; 强度条件; 作用力和力矩
不一定是在同一点, 在组合成当量应力时, 并不是直 接将各载荷产生的最大应力进行相加。如对筒体与 接管连接的结构 2, 分别按三种加载情况的最大应 力计算结果见表 7。这三种加载情况为:
( 1) 只施加一个沿筒体轴线方向的横向力, 横 向力的大小为 2. 31 105 N;
( 2) 同时施加沿筒体轴线方向的横向力和沿接 管轴线方向的力 ( 轴向力的大小同表 2中序号 2-1);
Abstrac t: In design of pressure vesse ls, the forces and mom en ts ex ecuted to vessels from p ip ing o ften need to be taken in to account. In v iew of these forces andm oments, som e high stresses, wh ich are the possib le source to m ake the structure fai,l m ay ex ist in the loca l area o f connec ting nozzle w ith she l.l For a long tim e, the most comm on m ethods app lied in eng ineer ing to ca lcu la te loca l stresses are tha t presented inW RC Bulletin 107 andW RC Bu lletin 297. F inite e lem ent analysis w ill a lso be used when the structure sizes are beyond the app licab le scopes o f the m e thods from W RC 107 andW RC 297. In European pressure vesse l des ign standa rd EN 13445 issued in 2002, anothe r m ethod for ca lculating loca l stresses was presented. W hen the struc ture s izes fall into the app licab le scope for a ll of these me thods, designer can chose one m ethod to fu lfill the ca lcu lation. In th is paper, based on the com pa rison of the resu lts from these m ethods and analysis of the safety and the effectiveness when these m ethods we re used in eng ineer ing, the effo rtw asm ade to supp ly eng ineers the re ference to se lect an appropriate one in practica l eng inee ring. T hrough the comparison from p lenty of ca lcu la ted resu lts, it can be conc luded tha t the m ethod presented in EN 13445 is sa fe enough as the bas is of eva luating the streng th of she lls, but cannot be used to eva luate the streng th o f nozzle. T he m e thod ofW RC 297 is always conserv ative for eva luating the strength o f she ll and nozzle. H ow ever, the results from the m ethod o fW RC 107, in one hand, canno t be used to obta in the stress o f the no zzle, in the other hand, are often sma ller than prec ise ones in m ost cases. In theory, the results from fin ite elem entm ethod are m ost precise. But, compared w ith othe r m ethods, this m ethod w ill also costm ore tim e and m ore m oney. T hus, based on the analysis here in, som e references w ere presented to he lp eng ineers, fo r a g iven structure, chose an appropr ia te one from the three m ethods othe r than fin ite elem ent ana-l ys is so as to decrease the design cost and keep the enough strength at the sam e tim e. K eywords: lo ca l stress; calculation m e thod; strength condition; ac ting force and m om en t
4 接管上作用横向力和扭矩对应力计算结 果的影响
对于接管上作用的横向力, 可将其移到接管的 根部, 使得在接管和壳体的连接处作用一横向力和
一弯矩。作用弯矩时在壳体中所产生的应力在上两
收稿日期: 2008-03-05 作者简介: 秦叔经 ( 1950 ), 男, 上海人, 教授级高工。长期从事压力
容器设计软件的开发工作以及应力分析的工作和研究。
2008年 10月
秦叔经, 等 局 部应力计算方法的对比研究 (下 )
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节已有示例; 而在接管和壳体的连接处作用横向力 时, 按 WRC 107方法的计算公式, 横向力在壳体中 产生的应力是剪应力, 一方面该应力沿壁厚方向是 均布的, 另一方面, 该应力的大小和方向沿圆周方向 是变化的。因此, 该应力对薄膜应力有较大的影响, 而对表面应力虽有影响, 但影响较小。也就是说, 按 W RC 107的计算方法, 对封头上的薄壁管结构, 将 横向力忽略以后, 对计算得到的结果影响很小。然 而, 对接管厚度与球壳厚度相当的结构, 横向力不能 忽略, 因为忽略以后会大大低估膜应力的数值。当 然, 在进行以上分析时, 横向力所产生的剪应力数值 如大大低于轴向力和弯矩产生的应力值, 则忽略横 向力对最终计算结果不会有大的影响。由于 W RC 107方法不能得到接管上的应力, 横向力作用所引 起的接管应力无法用该方法进行估算和评定。
1
W RC 107 3. 7 106
1070. 7
1070. 7
有限元
904. 6 /1550
1250 /1865
W RC 107
250ห้องสมุดไป่ตู้ 7
5
6. 3 105
250. 7
有限元
223. 3 /771. 6 413. 6 /917. 5