李秉安，張 晨，董愛華，盧日時

(哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

在壓力容器設(shè)備設(shè)計中，因開孔接管處幾何不連續(xù)，接管與主殼體相貫處會有很高的應(yīng)力集中，容器強度受到削弱［1－4］。近年來，隨著裝置的大型化和工藝要求的提高，大開孔越來越多。工程設(shè)計也迫切的需要科學(xué)、合理、便捷的大開孔補強計算方法［5－8］。我公司低壓加熱器抽汽口、海水淡化主蒸發(fā)器抽汽口等一系列設(shè)備的接口經(jīng)常會遇到大開孔補強的問題，參數(shù)化的大開孔補強分析設(shè)計方法是解決這些問題高效可靠的手段［9－13］。

1 國內(nèi)外開孔補強基本方法及其對比

曾有多篇學(xué)術(shù)論文和專著中對開孔補強的方法，理論推演，適用范圍做了詳細論述，文中在此處做一小結(jié)(見表1)。

表1 幾種開孔補強方法的比較

續(xù)表1 幾種開孔補強方法的比較

上述六種開孔補強法，根據(jù)不同的理論來源，可分為兩大類。第一類以規(guī)范給定計算公式和評價標(biāo)準(zhǔn)的方法。這類方法工程應(yīng)用普遍，易于操作。但所采用理論基礎(chǔ)均在實際模型上加以較大的簡化，計算結(jié)果在某些時候過于保守而在另一特定方面又于冒進。第二類以詳細應(yīng)力分析為計算方法。這類方法的工程應(yīng)用在近些年呈現(xiàn)出上升態(tài)勢，但計算工作量加大，對設(shè)計人員的要求更高，推廣困難。

2 分析設(shè)計方法流程

分析設(shè)計方法的計算流程包括物理模型到力學(xué)模型的簡化、力學(xué)模型的構(gòu)建、求解、結(jié)果后處理及評價.四個基本步驟。但以上四個步驟的操作中，計算人員的自由度非常大，標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也無法逐條要求各步中的具體操作。一方面造成了模擬結(jié)果的可信性因人而異，另一方面如果每個部件每個步驟均力求較高計算精度，則模擬的人力成本、固件投入、計算周期也很難滿足工程要求。分析設(shè)計較常規(guī)設(shè)計有他自身的技術(shù)先進性，但分析的設(shè)計高要求也使得它難以推廣。參數(shù)化的分析設(shè)計就是為了解決這一問題而提出的快捷方法。

3 參數(shù)化分析設(shè)計

3.1 分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)使用現(xiàn)狀及參數(shù)化分析設(shè)計

JB4732針對以上流程的第四項“結(jié)果后處理及評價”做出了詳細的規(guī)定。但針對流程的前三項沒有明確的條文可以參照。JB4732是通過要求設(shè)計人員資質(zhì)、計算能力和設(shè)計經(jīng)驗作為計算結(jié)果的保證。

開孔補強的分析設(shè)計方法，可以引入?yún)?shù)化設(shè)計理念來完善分析設(shè)計流程。使各環(huán)節(jié)流程化、規(guī)范化，提高分析設(shè)計效率和可靠性。

ANSYS提供了 APDL語言(命令流);ABAQUS則提供了Python語言;MSC公司為旗下一大批有限元軟件提供了PCL語言作為二次開發(fā)語言。這些語言擴展了有限元軟件原有的分析設(shè)計功能，通過建立標(biāo)準(zhǔn)化庫、序列化分析、設(shè)計優(yōu)化等方式提高了有限元軟件的處理能力。參數(shù)化語言編制程序控制有限元軟件，對特定結(jié)構(gòu)以訂制形式進行計算，為有限元軟件的應(yīng)用提供了新方法。

下面以ANSYS的APDL語言為例，介紹開孔補強的參數(shù)化設(shè)計方法。

(1)開啟新的工作

命令流一般以“FINFSH”、“CLEAR”語句開始，用來清空ANSYS之前運行的其他工作。

(2)定義參數(shù)

為便于應(yīng)用者修改相關(guān)參數(shù)，參數(shù)設(shè)置部分一般在一個獨立的賦值空間。大開孔補強分析設(shè)計中的相關(guān)參數(shù)就在這一部分定義。

“*SET”是變量定義于賦值的命令，例如“*SET，DI，1600”是將 DI定義為殼體內(nèi)徑，并為 DI賦值為1600。

(3)前處理

前處理部分幾乎囊括了整個有限元計算80%甚至更多的工作。前處理工作的繁雜性和專業(yè)性是將很多工程技術(shù)人員拒至于有限元分析大門之外的主要原因。

前處理命令以“/prep7”語句開始。包括了從進入軟件界面到提交“作業(yè)”給求解器的所有操作。幾何建模、劃分網(wǎng)格、賦予物理屬性、定義物理關(guān)系、施加計算條件、確定計算類型、選擇求解器等工作都是在前處理部分進行的。

ANSYS的每一個GUI操作都有對應(yīng)的APDL命令。這樣，將每一步的GUI操作用APDL語言語流化的編寫起來，也就實現(xiàn)了特定結(jié)構(gòu)固定形式的前處理命令流。前處理部分的命令流既可以視作前處理過程中的所有GUI操作的順序集合。

(4)求解部分

求解部分的命令由“/solu”開始，主要用于定義求解內(nèi)容和設(shè)置輸出選項。

(5)后處理部分

后處理部分可以使用命令流定制特殊數(shù)據(jù)處理方式，大開孔補強的應(yīng)力線性化處理就應(yīng)用到了該項技術(shù)。

3.2 參數(shù)化分析設(shè)計算例

以下簡單介紹參數(shù)化分析設(shè)計。工程設(shè)計人員完成一次分析計算需按流程完成以下步驟，操作簡便。選定結(jié)構(gòu)形式，輸入設(shè)計條件;啟動有限元軟件，讀入?yún)?shù)化的命令流程序;查看計算結(jié)果并形成計算報告。

3.2.1 選定結(jié)構(gòu)形式，輸入設(shè)計條件

這里所演示的為平齊接管的補強計算。在填寫完設(shè)計參數(shù)(見表2)相關(guān)數(shù)據(jù)后，程序會自動生成命令流文件(如圖1所示)。

3.2.2 啟動有限元軟件，讀入?yún)?shù)化程序

該程序是在ANSYS下運行的有限元命令，程序的開發(fā)人員也可根據(jù)自己需要開發(fā)ABAQUS、MSC.NASTRAN平臺下的程序。程序使用時讀入生成的命令流文件，ANSYS會立即運行，并完成力學(xué)模型構(gòu)建、求解和生成分析設(shè)計報告等一系列工作，設(shè)計人員無需任何操作。

表2 平齊接管開孔補強設(shè)計參數(shù)

圖1 讀入命令流文件

3.2.3 查看計算結(jié)果，形成計算報告

有限元分析完成會后自動顯示(如圖2所示)。其他結(jié)果的查看設(shè)計人員需按照軟件提供的后處理功能進行操作。強度計算書會依據(jù)JB4732自行生成。

圖2 有限元模型及計算結(jié)果

表3 計算報告

4 結(jié)束語

以壓力容器行業(yè)為例，采用分析設(shè)計較之常規(guī)設(shè)計所使用設(shè)備原材料要減少20%～30%。僅以此項評估其經(jīng)濟價值就相當(dāng)可觀。但分析設(shè)計對設(shè)計者的高要求也使這一先進技術(shù)難以推廣。

參數(shù)化程序開發(fā)要求編制者應(yīng)具備較深厚的力學(xué)功底，和工程分析經(jīng)驗。計算程序在經(jīng)過反復(fù)論證后加以應(yīng)用，可將珍貴的分析設(shè)計經(jīng)驗固化與程序中，極大的提高了分析設(shè)計效率和分析設(shè)計準(zhǔn)確性，使得阻礙分析設(shè)計推廣的瓶頸問題得以解決，有利于加快了先進設(shè)計手段推廣應(yīng)用，使我國產(chǎn)品的競爭力逐步提升。

［1］胡志棟，徐康博.液壓拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012(2):38 －41+46.

［2］尹千才，朱洪前.長螺旋鉆機液壓動力頭箱體靜動力學(xué)分析［J］.森林工程，2013(3):97－99+104.

［3］杜青海，薛明德.內(nèi)壓下帶徑向接管圓柱殼的薄殼理論解［J］.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008.

［4］陸明萬，桑如苞，丁利偉，等.壓力容器圓筒大開孔補強計算方法［J］.壓力容器，2009.

［5］薛明德，黃克智，李世玉，等.壓力容器設(shè)計方法的進步［J］.化工設(shè)備與管道，2010.

［6］程豐淵，陸明萬.關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論［J］.壓力容器，2010.

［7］丁伯民.對《關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》一文的商榷［J］.壓力容器，2010.

［8］朱 磊，陶曉亞.對《關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則 Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》和《對〈關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論〉一文的商榷》兩篇文章的意見［J］.壓力容器，2010.

［9］李永泰.對《關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論》一文的理解和認識［J］.壓力容器，2010.

［10］程豐淵，陸明萬.對《對〈關(guān)于分析設(shè)計法中應(yīng)力強度準(zhǔn)則Pm+Pb≤1.5［σ］的討論〉一文的商榷》的討論［J］，2010.

［11］朱國棟，李世玉，薛明德.JB4732附錄 J(2005確認)大開孔應(yīng)力分析的工程應(yīng)用程序［J］.壓力容器.

［12］Josef L Zeman，F(xiàn)ranz Rauscher，Sebstian Schindier.Pressure Vessel Design The Direct Rout.［J］.

［13］陸明萬，桑如苞.關(guān)于ASME開孔計算中環(huán)向彎矩項的來源［J］.壓力容器.