第４Ｏ卷增刊１ ２０１１年８月石油化工设备 ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．４０ Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ １ Ａｕｇ．２０１１ 文章编号：１０００—７４６６（２０１１）增刊ｌ一００３０—０３ 有限元分析开孔补强结构 关庆贺，吴秀峰 （中国石油辽阳石油化纤公司机械厂，辽宁辽阳 １１１００３） 摘要：在压力容器开孔补强的理论分析中，通常假设在补强圈与容器壳体之间没有接触。利用 ＡＮＳＹＳ对某开孔压力容器进行参数化建模并完成了优化设计，由有限元结果与试验数据的比较 表明有接触假设的有限元方法对于应力场分布能够产生更好的理论预测。 关键词：开孔补强；接触行为；接触压力；有限元 中图分类号：ＴＱ ０５０．２ 文献标志码：Ｂ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ＧＵＡＮ Ｑｉｎｇ－ｈｅ。ＷＵ Ｘｉｕ—ｆｅｎｇ （Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｆａｃｔｏｒｙ，Ｌｉａｏｙａｎｇ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｆｉｂｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ ＣＮＰＣ， Ｌｉａｏｙａｎｇ １ １ １００３．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｕａｌｌｙ ｔｈｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｃｉｒｃｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｓｈｅｌｌ ｈａｓ ｎｏ ｃｏｎｔａｃｔ．Ｕｓｉｎｇ ＡＮＳＹＳ ｔｏ ｏｎｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｗａｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｄｒｙ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ｐｒｅｄｉｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｃｏｎｔａｃｔ ｂｅｈａｖｉｏｒ；ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 在压力容器上，由于工艺或结构上的要求需要 解补强圈周边的应力分布情况，以便使用的材料达 到最少，产生更大的经济效益。 文中利用ＡＮＳＹＳ进行参数化建模和优化设 开孔安装接管，有人孔、手孔、排污口、介质出入口 等。容器开孔后，由于其结构连续性的破坏，使其开 孔边缘产生很高的局部应力。为降低开孔边缘的应 力，应在开孔边缘处进行补强。开孔补强的主要方 法就是在补强有效范围内用增加材料的方法来弥补 开孔所除去的全部或部分金属。 根据文献［１］可知，常见的补强方法有以下缺 陷。①补强圈搭接结构会引起较大的局部应力。例 计．完成了储罐开孔补强结果的优化设计，得到了最 优化结构的设计方案，既满足应力要求，又降低材料 消耗。同时提出了一种压力容器开孑Ｌ补强建立参数 化的有限元模型及优化设计方法。 １ 计算实例 １．１基本数据 以文献［２，３］中某直径为５００ ｍｍ的容器为例， 其中手孔直径６０ ｍｍ，设计压力为６．０ ＭＰａ，设计 如高强度钢，由于其淬硬性较强，易在开孔补强结构 中产生焊接裂纹。②整体锻件补强的锻件供应困 难，制造繁琐，成本较高，只在重要设备中使用。③ 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或者封头 的壁厚来降低开孔附近的应力的，成本相当大。 借助ＡＮＳＹＳ计算开孔补强可以更加进一步了 温度２０℃，腐蚀余量为１．５ ｍｍ，主要受压材料为 Ｑ３４５Ｒ。 具有径向接管及补强结构的圆柱壳模型尺 收稿日期：２０１ｌ—Ｏ４一Ｏ５ 作者简介：关庆贺（１９８３一），男，辽宁辽阳人，助理工程师，学士，从事压力容器设计制造工作。 增刊１ 关庆贺，等：有限元分析开孔补强结构 寸详见图１。文中建立了３种模型，具体尺寸见 表１。 ● ｌ ｌ Ｄ ８． 丁 ｆ ０ 、｝Ｊ翼 上 、 Ｉｊ ｆＩ廛 沾０ ｉ ｆ ０ ｌ Ｉ！ Ｊ 图１ 补强结构的圆柱壳模型尺寸图 表１ ３种补强结构模型尺寸 模型 Ｄ ｄ。 如ｄ Ｄ １．２ 建模 所用补强圈的尺寸是根据工程上常用的等面积 补强法确定的，其外径为２倍的接管公称直径，厚度 与筒体壁厚相同。 为了分析接触特性的影响，分别对表１所示的 不同结构尺寸的模型进行了模拟。补强圈的外径为 ２倍的接管外径，厚度与简体厚度相同，这与工程上 通常所采用的结构尺寸一样，建模与有限元网格划 分分析所用图见图２。 图２补强圈与简体有限元网格图 １．３模拟接触 由文献［４］可知，目前情况下，对内压作用下补 强圈与容器壳体之间有可能发生接触的区域，应用 特殊的接触单元是最好的建模技术。需要特别指出 的是，在有限元接触分析中，即使假设材料为线弹 性，数值分析过程也是高度非线性的，执行分析中有 以下因素要考虑。 目标面或接触面的不同选择可能引起穿透量 的不同，从而影响求解精度，要遵循以下准则：① 如果一个面上的网格较细，而另一个面上的网格 较粗，则指定细网格所在的面为接触面。粗网格所 在的面为目标面。②当凸面与平面或凹面接触 时，应指定平面或凹面为目标面。③当两个面的 刚度不同时，应当指定较硬的面为目标面，较软的 面为接触面。④如果一个面是高阶单元，而另一 个面是低阶单元，应将高阶单元所在的面作为接 触面。⑤如果两个面大小明显不同时，应将大面 作为目标面。在生成接触单元时，网格形状的质 量不是重要的，而目标单元的形状能否完好地模 拟刚性面的几何形状显得更重要。 １．４求解精度 ＡＮＳＹＳ通过设置实常数和关键字来控制接触 行为，对求解精度影响较大的一些参数如下：①接触 刚度。接触刚度比例因子在０．０１～１Ｏ，一般应取较 小值以不致因为总体刚度矩阵问题而影响收敛性。 但要注意同时保证接触穿透小到可为扩展的拉格朗 日算法所接受。②接触算法。包括罚函数算法、拉 格朗日算法及扩展的拉格朗日算法。其中扩展的拉 格朗日算法是采用拉格朗日乘子对罚函数修正项进 行反复迭代的计算方法，本文计算采用了此方法。 在有些分析中，扩展的拉格朗日算法可能需要更多 的迭代，特别是变形后网格变得太扭曲时。 ２ Ａｎｓｙｓ运行结果与分析［５￣１ｌ＿ ２．１ 接触压力的特性 由分析结果并应用文献Ｅｓ］当中的计算方法可 知，接触元分析所得到的补强圈内表面接触应力分 布等值云图，证明了这种接触力是真实存在的。 补强圈内表面接触压力等值云图见图３。 ＡＮＳＹＳ ５５．１ ＭＡｌ｛３ｌ ２００ ｌ９：５３：３４ ６３Ｉ｛ ￡ ２：７０ 墨 ０９ｌ ．Ｉ ４５６ 一 ８ｌ ９ ■■ Ｉ８３ － ５４７ —一 ４Ｉ】 ．—● ７４ ．图３补强圈内表面接触压力等值云图 由图３可以看到，接触应力沿边缘向中 ｆｌ，呈逐 石油化工设备 ２０１１年第４ｏ卷 次递增的梯度分布，在补强圈中心部位出现峰值 （３．２ ＭＰａ）。并且由加载的时间历程分析结果还发 压力的变化反而越趋于平坦。当 ／Ｄ 接近０．５时， 接触压力几乎已经没有变化。 日 苫、ｂ ５ ４ ３ ２ ｌ 现，接触应力首先出现在容器横向截面的边界处， 然后沿补强圈内表面向中间部位发展，载荷继续加 大，则在靠近容器纵向截面区域出现一狭长高接触 应力区。 窆 ０ Ｏ ０ ０ 昌 一２ 一 ３ 一 ５ ４ ３ ２Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ Ｏ ０ Ｏ ０ ２．２接触的影响 在考虑接触和不考虑接触的两种情况下，比较 淫 趟 容器壳体、补强圈外表面各自的经向（轴向）和周向 应力分布的不同，并与试验数据相对照，以验证带接 触元有限元分析的有效性，其结果示意图见图４。 （因仅有外表面试验数据，为便于对照比较，数值分 析结果亦取外表面）。 从图４可以看出，在有接触元和无接触元的有 限元分析结果中，应力分布的显著差别发生在壳 体和补强圈部位，且有接触元的有限元分析结果 更接近于试验值。因此，接触元模型是一种更好 的建模技术，以后所列出的结果都来源于接触元 分析。 。ｏ一无接触元 ．｜ 、ｆ ＼一一，．一有接触 元 、 ：Ｉ ５０舢 Ｊ ５０ ２００ ２５０ ３｛ Ｓ／ｍｍ （ａ）经向应力 一无接触元 － —￡有接触元 ．厂——～ １３ 口 ０．。． 口，’、 一一 。１０ ｌ ５Ｏ ２００ ２５０ ３００ ３： Ｏ ，，、， Ｓ／ｍｎ１ （ｂ）周向应力 图４有接触和无接触补强圈及壳体有限 元应力比较（纵向） ２．３ 不同开孔率的接触压力 为了考察开孔率对接触压力的影响，得到了３ 组不同模型的最大接触压力曲线见图５。文中Ｊ 模 型开孑Ｌ率 ／Ｄ 为０．１６、Ｊ 模型开孑Ｌ率为０．２５、Ｊ。 模型为０．４，从压力曲线可以看出， ／Ｄ 越大，接触 图５ 不同开孑Ｌ率的接触压力曲线 ３ 结论 （１）通过考虑接触和不考虑接触两种模型的模 拟计算结果表明，考虑接触对结构的最大应力值的 影响与实验值更加接近。 （２）接触应力首先出现在容器的横向截面的边 界处，然后沿补强圈内表面向中间部位发展，载荷继 续加大。 （３）通过对不同ｄ／Ｄ．接触压力曲线的分析得 出，当纵向弯矩达到一定值后，ｄ／Ｄ．越大，接触压 力反而越小。 参考文献： ［１］桑芝富，李磊，钱惠林．接管外载荷作用下补强圈结 构的应力分析［Ｊ］．压力容器，１９９７，１４（３）：３８—４３． ［２］倪栋，段 进，徐久成，等．通用有限元ＡＮＳＹＳ７．０ 实例精解［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００３：１２１． Ｅ３］王志文．化工容器设计（第二版）［Ｍ］．北京：化学工业 出版，２００５． ［４］王辉，桑芝富，王晓东．补强圈与容器壳体间的接触 行为ＥＪ］．南京工业大学学报，２００２，（２）：１ ７ ２１． ［５］ＪＢ ４７３２ １９９５，钢制压力容器——分析设计标准［ｓ］． ［６］ 裴召华．压力容器厚壁管补强［Ｊ］．石油化工设备， ２００９，３８（增）：２１—２２． ［７］李业勤．对ＧＢ １５Ｏ一１９９８有关条文的分析和建议［Ｊ］． 石油化工设备，２００９，３８（２）：５７—５９． ［８］ 钱红华，鲍亚明．容器壳体的开孔补强计算方法［Ｊ］．辽 宁化工，２００９，（１ｏ）：６６ ６８． ［９］孙文顺，王爱喜，陈晓明，等．受压元件开孔补强的几个 问题［Ｊ］．锅炉制造，２００４，（４）：４１ ４２，４５． ［１Ｏ］刘建州．压力容器开孔补强结构设计的商榷［Ｊ］．大氮 肥，２Ｏ１０，（３）：３４—３６，４０． ［１１］史建涛．一种简单开孔补强方法介绍［Ｊ］．广东化工， ２０１１，（１）：２２８—２３０． （许编）
