内压作用下圆柱壳开孔接管设计方法(薛明德)
不同标准大开孔补强计算方法的分析比较
于２ ． ２ 倍 许 用应 力 。基 于 上 述分 析 ， 对 于 内压
下 圆柱壳 开孑 Ｌ 补 强 问题 ， 一 次 局 部 薄膜 应 力 强度 的设计 准则 如下 ：
￥ 占双林 ， 男， １ ９ ７ ９年 ９月 生 ， 工 程 师 。北 京 市 ， １ ０ ０ ０ ８ ５ 。
２ ０ １ ｌ的 压 力 面积 法 、 Ａ Ｓ ＭＥⅧ ． １附 录 １ — ７的膜 一弯 曲应 力 法及 ＡＳ ＭＥ Ｗ一 １附 录 １ — １ ０的 压 力 一面积 应 力
法 是 目前 解 决 该 问 题 的 几种 计 算 方 法 。通 过 对 ４种 方 法 的计 算理 论 和 应 用 于 实 际结 构 的 计 算 结 果 进 行
内， 校 核大 开孔结 构 的安 全性 ’ 。 文献 ［ ６ ， ７ ］ 中的应 力分 类 法是 将 一次 局 部 薄 膜应 力控 制在 １ ． ５倍许 用 应 力 以内 ， 此 设 计 准 则 的提 出是 基于简 单梁 的理论 。 由于压力 容器绝 大
通常 可采用 常规 的等面 积补强 法对 壳体 上开 孔率 不大 于 ０ ． ５的小 开 孔 进 行 补 强 计 算 ’ ， 容 器壳 体开 孔 以后 ， 由 于部 件 之 间 的变 形 协调 必 将 在 开孔边 缘引起 局 部 的弯 曲应 力 ， 这 种 弯 曲应 力
文献 标 识 码 Ａ
文章编号
０ ２ ５ ４ — ６ ０ ９ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ７ ４ ８ － ０ ５
在压 力容器 筒体 上开 孔接管 对容 器 的不 利影
１ 不 同计算 方法 的分析 比较 １ ． １ 分 析法
响主要有 ３方 面 ： 一 是 开孔 削 弱 了容 器 壳 体材 料
在内压或外压作用下壳体和封头的开孔补强接管上外部静载荷
d р - 2 c s D
锥壳，锥壳过渡段 或锥形封头
d p - 2 c s Dк ≤ 1.0
椭圆形封头
d р - 2 c s D
半球形封头 碟形封头
d р - 2 c s D ≤ 0.6
直径比* 壳体或封头壁 厚 与其直径比
¢ ， s2 ¢¢ －补强圈的名义壁厚，mm； s2，s2 ¢，s3 ¢¢ －壳体内侧接管的名义壁厚，mm； s3，s3
t－圆周上的开孔长度，见图 A.11 中 в，г（附录 A） ，mm； V－强度降低系数； x－椭圆形封头上需要补强的开孔中心至椭圆形封头中心线的水平距离，mm； a －锥壳的半顶角，度； b －两个相互有影响的开孔中心的连线与筒体母线的夹角，见图 A.3 中 а（附录 A） ，度； γ－圆筒、锥壳和凸形封头上斜接管中心线与开孔处壳体表面法线间的夹角，见图 A.5 中 а，图 A.11 中 б（附录 A） ，度； ¢，c 3 ¢，c1¢¢ ¢¢，c 3 ¢¢ －许用应力的比值； c1，c 2，c 3，c1¢，c 2 ，c 2 ρ－修正系数； [σ]－计算温度下圆筒、锥壳过渡段和封头材料的许用应力，MPa； [σ]1－计算温度下壳体外侧接管材料的许用应力，MPa； [σ]2－计算温度下补强圈材料的许用应力，MPa； [σ]3－计算温度下壳体内侧接管材料的许用应力，MPa； [t ] －许用剪应力，MPa； φ－圆筒、锥壳过渡段和封头的焊接接头的强度系数；
71
压 力 容 器全 模 型 ANSYS 分 析 与 强 度计 算 新规 范
lp－在接管或折边式嵌入环周围补强区的计算宽度，mm； ¢，l3 ¢¢ －接管的名义长度，见图 A.6，A.7（附录 A） l1，l1¢，l1¢¢ ，l3，l3 ，mm； H－椭圆形封头的内曲面高度，mm； ¢ ，l1p ¢¢ ，l3p，l3p ¢ ，l3p ¢¢ －接管的计算长度，mm； l1p，l1p l2－补强圈的名义宽度，mm； l2p－补强圈的计算宽度，mm； Mx，My，Mz－作用到接管上的弯矩和扭矩，N∙mm； p－容器及设备的计算压力，MPa； [p]－容器及设备元件的许用压力，MPa； [p]п－塑性范围内的许用压力，MPa； [p]E－弹性范围内的许用压力，MPa； R－半球形封头和碟形封头球面部分的最大内半径，mm； Rн－采用联合补强时，圆形补强圈的半径，见图 A.8（附录 A） ，mm； R ¢ －直径为 d ¢ 的开孔周围非对称补强圈的半径，见图 A.8（附录 A） ，mm； R ¢¢ －直径为 d ¢¢ 的开孔周围非对称补强圈的半径，见图 A.8（附录 A） ，mm； Rc－接管处圆筒或球形封头的平均半径，mm； r－壳体翻边或折边式嵌入环折边部分的外半径，见图 A.9，A.10 中 а（附录 A） ，mm； s－圆筒、锥壳过渡段或封头的名义壁厚，mm； sp－圆筒、锥壳过渡段或封头的计算壁厚，mm； ¢，s1 ¢¢ －壳体外侧接管的名义壁厚，mm； s1，s1 ¢ ，s1p ¢¢ －壳体外侧接管的计算壁厚，mm； s1p，s1p
圆柱壳开孔接管补强结构有限元分析
圆柱壳开孔接管补强结构有限元分析龚宝龙;杨雪华;徐兴华【摘要】基于有限元法，运用ANSYS软件对圆柱壳体开孔接管补强结构进行分析，获得其应力分布规律。
在应力分析的基础上，运用线性处理法对危险部位进行应力分类和强度评定，并确定了该圆柱壳的极限承载能力。
沿着评定路径获得应力集中系数分布规律及其最大值，并与ASME 锅炉及压力容器规范中的经验公式进行对比，验证了数值模拟结果的可靠性。
%Based on the finite element method, the opening reinforcement structure of cylindrical shell with nozzle was analyzed by ANSYS software. The stress distribution rule was obtained. On the basis of stress analysis, carried out stress classification and strength assessment in dangerous parts by using the linear processing method, then determined the ultimate bearing capacity of the cylindrical shell. The stress concentration coefficient distribution rule and maximum value was calculated along the evaluation path, and compared them with the empirical formula of ASME BPVC, verified the reliability of the numerical simulation results.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P39-43)【关键词】圆柱壳;开孔补强;有限元分析;应力集中系数;压力容器【作者】龚宝龙;杨雪华;徐兴华【作者单位】中核苏阀科技实业股份有限公司;中核苏阀科技实业股份有限公司;中核苏阀科技实业股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ050.30 引言在石油、能源、核工业等行业中，广泛存在着圆柱壳形压力容器，由于工艺或结构上的需要，壳体上经常需要进行开孔并与接管进行焊接。
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。
通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。
1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。
针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。
为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。
2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法2.1压力面积法通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。
开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。
综合其安全系数以及实践经验系统分析。
此种方式对于开孔边缘的应力强度进行分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。
通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。
综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。
补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。
在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。
2.2分析法分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。
主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。
分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。
此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。
圆柱壳开孔接管区不连续应力分析
圆柱壳开孔接管区不连续应力分析摘要：由于化工行业工艺流程的要求，要在压力容器主要承压部位开孔并接管，会产生不连续效应，进而影响开孔接管区应力分布。
笔者采用有限元分析方法，采用ANSYS软件对内伸式开孔接管进行受力分析，从而得出开孔接管区不连续应力的分布规律，对压力容器设计和选型起一定的参考价值。
Abstract：Due to the requirement of technological process of chemical industry，it is needed to open and take over the main pressure part of the pressure vessel，which will produce a discontinuous effect and thereby affect the stress distribution of the nozzle area. The author，by means of finite element analysis，uses ANSYS software to take a force analysis of extension type nozzle，and then obtains the distribution law of discontinuous stress in the nozzle area，which plays a certain reference value to the pressure vessel design and selection.关键词：压力容器；开孔接管；ANSYSKey words：pressure vessel；open hole nozzle；ANSYS中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）13-0154-020 引言压力容器分为内压容器和外压容器，作为一种极其重要的承压设备，在化工行业、医药卫生行业、航天航空行业、核电行业等发挥着越来越重要的作用。
圆柱壳非圆大开孔的应力集中研究
关键词 圆柱壳 非圆大开孔 中图分类号 O34
文献标识码
1 引言
圆柱壳开孔的应力集中问题在实际工程中 特别是在船舶和压力容器工程的强度设计 中非常重要 因而长期受到学术界和工程界的重视 中外学者在其五十多年的研究历程中 积累了大量文献 这方面有较详细的综述评论文章可参考[1] 对于圆柱壳开孔 例如椭圆 孔 工程上是指在圆柱壳上开出了一个投影在壳体切平面上的椭圆孔 当开孔率较小时 圆柱壳展开面上的开孔边界线与椭圆很相近 在这种情况下 可按圆柱壳小开孔理论进行 求解 如采用椭圆坐标系下的 Mathieu 函数研究圆柱壳开孔的应力集中问题[2] 以往薄圆 柱壳开孔的强度设计主要是以圆柱壳小开孔问题的理论解为基础的 而当开孔率较大时 圆柱壳展开面上的开孔边界线与投影面上的椭圆孔之间也将有较大的差异 小孔假设不再 成立 而必须按大开孔问题去求解 所谓大开孔问题 也就是求解一个展开面上的开孔边 界线与投影面上的开孔边界线有明显差别的圆柱壳开孔的边值问题 圆柱壳大开孔问题的 研究主要开始于八十年代后期 有文献可参考[4,5,6] 但这些文献的研究只限于圆孔 关于 圆柱壳非圆大开孔问题 由于数学上的困难及方法的局限性 还未得到解决 文献[6] 重新 评价了 Donnell 方程的适用性 并将其应用范围推广到开孔率 r0 / R ≥ 0.7 文献[7] 用复变 函数方法给出圆柱壳开大圆孔问题的理论解 本文以 Donnell 圆柱壳方程为基础 角映射方法将其研究范围扩展到非圆大开孔问题 利用保
(1) (1) ( 2 ) (3) ( 4) w = ∑ [ An(1) u n − Bn u n + An( 2 ) u n − Bn( 2 ) u n ] −∞ ∞
(2)
ϕ = DEh ∑ [A u
内压圆筒大开孔结构补强设计与应力分析
后
勤
工
程
学
院
学
报
Ｖ０． ８ Ｎ ． １２ ｏ ２ Ｍａ ． ０ ２ ｒ２ １
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ Ｌ ０ＧＩ Ｔ Ｃ ＧＩ ＥＲＩ ＮＩ Ｓ Ｉ ＡＬ ＥＮ ＮＥ ＮＧ Ｕ ＶＥＲ Ｉ Ｓ Ｉ
文章编 号 ：６２— ８ ３ ２ １ ）２— ０ ６— ６ １７ ７ ４ （０ ２ ０ ０４ ０
近年来 ， 随着计算 机技术 不断发展 ， 限元分析 法逐 渐成 为 压力 容器 应力 分 析 的主要 手段 ， 有 并在 工程 上 得到 了很 好 的应用 ¨ 。鉴 于该 容器开孔率 超 出了 Ｇ ５－ ９８ 的规 定 ， 定采 用 目前 常用 的压 力 面积 ｊ Ｂ １０－１９ － 确
因此 ， 出静水 压 为 ００ ａ焊接 接 头 系数 为 ０ ９ 给 ．２ＭＰ ， ． 。表 ２列 出 了 由 以上 给定 条 件 计算 出 的容 器 相 关 参
数， 简体计算厚度为 １１ ｍ， Ｇ ５－ １９ ．２ｍ 而 Ｂ １０ ９８规定低碳钢容器不考虑腐蚀裕量时的最小厚度为 ３ｍ ｍ， 因此取名义厚度为 ４ｍ 有效厚度为 ３ｍ 并据此计算出容器的其他工作参数。 ｍ， ｍ，
法和 Ａ Ｍ Ｓ ＥⅧ法对含油废水处理容器壳体进行开孔补强设计 ， 然后使用 Ａ ａｕ 非线性有限元分析软件对接 ｂｑ ｓ
收 稿 日期 ： １ — ９ ２ ２ １ ０ —６ ０ 作 者简 介 ： 唐永勇， 讲师， 男， 硕士， 主要从事Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ和计算机 图形学研究。 Ａ ／Ａ
第 ２期
４ ８
后
勤
工
程
学
院
学
报
２１ ０ ２芷
GB151中U形管式换热器管板设计方法的改进
让． 当 ， 为 定值 时方程 的系数 只与 Ｋ，
有关 。联立 解线性 方程 组 （ ８ ）～ （ １ １ ）式 ，可
穗
图４ ｅ 、ｆ 型管板 的法兰预紧力矩作用
一
求 得 、 、与 、Ｋ， 的关 系式 。
由压 力 引起 的 管 板 应 力 在管 板 中心 ｒ ＝０ 处， 与环形 板交 界的 当量 圆板 ｒ ＝Ｒ 处， 以及环 形 板边缘 ｒ ＝Ｒ三 处可能得 到最大 值 。
wwwcqvipcom篓壁十hm一m一鲁m图8f型管板受?分析管程压?与法兰?矩作用l一图9当密封面处有介质作用时即图1e型结构在管程压?a作用时或图1f型结构作用时18在壳程压?a作用下法兰预紧?矩叠加上由于介质压?引起的法兰?矩变化值之后应满足保证密封所需?矩肘的要求
维普资讯
号 ｃ （ ｐ ｓ － （ …）
Ｊ ， 。 ＝ 一 （ 一 ） （ 鲁 ） 。
管板 壳 程侧 表 面 的 应 力 则取 （ １ ２ ） ～ （ １ ４ ）式的相 反数 。
由轴 向力平 衡条 件可 知 ： Ｖｔ ＝音 （ －ｐ ， ）兄 ， ＾ 一÷ （ Ａ— ）Ｒ
３ 法 兰预紧 力矩引起 的 管板 应 力
．
等＋ 村 ．
’
¨
．
Ｉ Ｉ
图５ ｅ型管板受力分 析壳程 、压力与法兰力矩作 用
囝６ ｅ型管 扳受 力分析 ．管程压 力与法 兰力矩作用
Ｍ
Ｍ
Ｉ
圉７ ｆ 型管板受力分析 ，壳程 压力与法兰 力矩作用
３ ． １ 四种工况下 ＾ 的计算 方法
弓 卜
ＧＢ １ ５ １ 中 Ｕ 形管 式换热器管板
设计方法的改进
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内压作用下
圆柱壳开孔接管分析设计方法
清华大学工程力学系
薛明德
2007年10月
1
内压作用下
圆柱壳开孔接管分析设计方法
一概述
1.1现有的常规设计方法
1.2我国JB4732分析设计方法的适用范围
1.3 各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究
1.4 理论解的困难
二我国JB4732分析设计方法的理论基础
2.1 基本参数与坐标 2.2 交贯线的几何描述
2.3 采用修正的Morley方程代替扁壳方程
2.4 采用精确的连续条件 2.5解复杂的偏微分方程的边值问题三理论解可靠性的验证
四我国规范JB4732中圆柱壳开孔接管的分析设计方法
4.1 适用范围 4.2设计准则
4.3 计算步骤 4.4 设计方法
五JB 4732与PD 5500比较
美：20世纪50年代起至今PVRC 有一个委员会组织研究工作。
成果表现为WRC Bulletin 107,297, (支管受推力，弯矩),133,368 (内压), …
上世纪80年代以前，理论解（Eringen, Steele)，实验
（ORNL ）。
80年代后，有限元解（Widera ）试图寻求经验公式求内压下的应力集中系数
英：理论解(以早期的球壳解代替圆柱壳,内压工况)，用于PD5500容器开孔。
实验，有限元解（Moffat ）。
其成果表现为英国管道标准BS806(内压，支管、主壳各受3种力矩)。
这是一个在工程上重要而在力学、数学上困难的问题
一
概述
3 各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究
在黄克智先生的开创与指导下，在清华大学与全国压力容器标准化技术委员会的支持下，上世纪80年代至今，清华大学圆柱壳开孔接管课题组先后共有6位博士生参加，发表13篇文章
圆柱壳开孔接管薄壳理论解及其相应的设计方法－
(1)包含内压与6 种支管外载荷的统一的设计方法
(2)适用范围扩大至：
ρ
≤0.9 λ= d/(DT)1/2 ≤12
1995：关于内压作用下的分析设计方法－JB4732-95 附录J ρ
≤0.7，λ= d/(DT)1/2 ≤5
1997：关于内压作用下的分析设计方
法获ASME PVPD颁发J. of
Pres. Ves. Tech. 1996年杰出论
文奖。
ρ
≤0.8，λ= d/(DT)1/2 ≤8
2006：关于3种支管力矩作
用下的应力分析方法获
ASME PVPD颁发J. of
Pres. Ves. Tech. 2005年
杰出论文奖。
ρ
≤0.8，λ= d/(DT)1/2 ≤8
2007：关于内压与6种支管外
载作用下的应力分析方法获
ASME PVPD颁发ICPVT-11
暨ASME－PVP2006会议的
杰出论文奖。
ρ
≤0.8，λ= d/(DT)1/2 ≤
12
z
α
前人：扁壳方程：
二主壳解
ρ
内压下应力集中系数的理论解与前人
理论解不考虑焊缝与圆角，选主壳内壁有限元解有焊缝w 1/T =0.5，w 2/t =0.5
K=S IV /σ0
σ0=pR /T
ANSYS软件, 20结点三维实体单元，每个计算模型
JB 4732:
设计准则：S II ≤2.2 S m , S IV ≤2.6S m
一般的设计准则S II ≤1.5 S m 应用于圆柱壳开孔补强设计是非常保守的：
对于前人的一大批塑性极限压力实验(0.135≤d /D ≤0.826,28≤D /T ≤230)，利用其塑性极限压力p s ，以p=p s /n s 作为载荷施加于试件上，应用本规范方法计算其S II ,除个别试件外，绝大部分试件的S II >2.2 S m
四
我国规范JB4732中圆柱壳开孔接管的分析设计方法 2 设计准则
JB 4732d/D=0.1
10 ≤D/T≤400, 5≤d/t
JB 4732d/D = 0.5
10 ≤D/T≤196
d/D = 0.8
10 ≤D/T≤100
JB 4732
四
我国规范JB4732中圆柱壳开孔接管的分析设计方法 3 应力强度计算步骤
1 计算圆柱壳与接管中面直径D, d
D = D i +δe , d = d 0-δet
2 计算ρ0, ,δet /δe
3由ρ0, ,δet /δe 查曲线图组J-2,
得K (m)和K
4计算S Ⅱ=K (m )pD /2δe ,
S Ⅳ=KpD /2δe 5 校核
S Ⅱ≤2.2S m S Ⅳ≤2.6S m
五JB 4732与PD 5500比较
五JB 4732与PD 5500比较
定义：h =T /T 0 , g =T /T
六理论分析方法在今后的GB150中应用
六理论分析方法在今后的GB150中应用
, g =T/T0
定义：h =T/T
P zb t
设计方法
x
P
zb /2
o
x P
xb
/2
o
P R /2
o yb o x
o M M/2
o
类似于
P
支管外载向主壳与支管交
/
P zb -+-+-+-+6M ϕ/pRT
p T ϕp b k T
ϕ
()
4(2)0°处无量纲正应力随ρ
41思考题
1JB4732 中圆柱壳开孔接管设计方法的计算模型与实际结构的关系，做了哪些简化。
规范如何保证利用理论解进行设计的合理性。
2JB4732 中圆柱壳开孔接管设计方法的基本原理，为什么可以比前人的理论解拓宽应用范围。
3比较JB4732与GB150的设计方法。
4利用此方法自行设计一个圆柱壳开孔补强，并与GB150进行比较。