張瑩娜,仇 放

(1.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085；2.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司 俄羅斯分公司，北京 100101)

錐殼接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)是壓力容器常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)之一。為保證其結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度的要求，需按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和方法對(duì)于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全裕量不同，常用的設(shè)計(jì)方法有GB150的等面積法、彈性應(yīng)力分析法[1]和極限載荷法[2]。而錐殼接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，本文通過(guò)有限元模擬對(duì)錐殼半頂角α、開(kāi)孔率d/D、壁厚比t/T和D/T研究各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成的影響。

1 有限元模型

1.1 有限元模型尺寸

與錐殼徑向接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)承載能力有關(guān)的4個(gè)參數(shù)[3]，即錐殼半頂角α、開(kāi)孔率d/D、壁厚比t/T和D/T。對(duì)模型尺寸取α=0°，15°，30°，45°；d/D=0.1，0.2，0.3，0.4；t/T=0.5，1.0，1.5，2.0；D/T=30，120，210，300；D=3000mm，4200mm。其中D為錐殼開(kāi)孔中心處內(nèi)徑，d為接管內(nèi)徑，T為錐殼開(kāi)孔處壁厚，t為接管壁厚。不同錐角模型結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 α=0°和α=15°時(shí)模型結(jié)構(gòu)

圖2 α=30°和α=45°時(shí)模型結(jié)構(gòu)

1.2 有限元模型材料

錐形殼體材料為13MnNiMoR，接管材料為S22053，設(shè)計(jì)溫度280℃，設(shè)計(jì)溫度下材料參數(shù)如表1所示。根據(jù)焊縫強(qiáng)度與強(qiáng)度較低的母材相匹配原則，設(shè)定焊縫材料與接管材料相同。

表1 材料參數(shù)

1.3 有限元網(wǎng)絡(luò)劃分

考慮幾何形狀及載荷的對(duì)稱性，取實(shí)際結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行分析，模型中殼體長(zhǎng)度足夠，大于邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度。選擇20節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元SOLID95劃分網(wǎng)格，采用映射劃分(sweep)方式，準(zhǔn)確控制網(wǎng)格密度，避免遠(yuǎn)離筒體接管相貫區(qū)網(wǎng)格過(guò)密浪費(fèi)計(jì)算資源增加計(jì)算時(shí)間，細(xì)化殼體接管相貫區(qū)，同時(shí)避免關(guān)鍵部位網(wǎng)格過(guò)于稀疏而增大網(wǎng)格離散誤差[4]。不同錐角有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3、圖4所示。

圖3 α=0°和α=15°時(shí)模型網(wǎng)格劃分

1.4 有限元模型邊界條件

殼體和接管內(nèi)表面施加內(nèi)壓，錐殼小端端面以及接管外端面施加軸向平衡載荷，結(jié)構(gòu)對(duì)稱面端面施加對(duì)稱約束，錐殼大端底部端面施加軸向約束，并在錐殼大端底部某一點(diǎn)施加固定約束以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生整體位移。不同錐角模型的邊界條件如圖5、圖6所示。

圖5 α=0°和α=15°時(shí)模型邊界條件

圖6 α=30°和α=45°時(shí)模型邊界條件

2 有限元計(jì)算結(jié)果

2.1 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模型進(jìn)行分析計(jì)算，提取出計(jì)算結(jié)果中模型應(yīng)變-載荷值[5]，繪制出應(yīng)變-載荷曲線，根據(jù)兩倍彈性斜率法確定不同模型的極限載荷。D=3000mm和D=4200mm時(shí)各個(gè)模型的極限載荷[6]見(jiàn)表2。

表2 模型極限載荷

2.2 結(jié)果分析

表2可看出，其他參數(shù)相同時(shí)，D=3000mm和D=4200mm時(shí)二組模型極限載荷大小變化不大，因此錐殼開(kāi)孔中心處殼體內(nèi)徑D對(duì)模型極限載荷的影響很小。對(duì)模型極限載荷影響起主要作用的是4個(gè)無(wú)量綱參數(shù)α、d/D、t/T和D/T。

利用Statistica軟件分析4個(gè)無(wú)量綱參數(shù)對(duì)極限載荷的影響，設(shè)置因變量為極限載荷Pcr，自變量為錐殼半頂角α、開(kāi)孔率d/D、壁厚比t/T和D/T，方差分析表如圖7所示，從方差分析表可以看出，4個(gè)因素中壁厚比D/T的P值遠(yuǎn)小于其他因素的P值，所以壁厚比D/T對(duì)極限載荷的影響最大。各個(gè)因素對(duì)極限載荷的影響大小次序?yàn)椋罕诤癖菵/T>開(kāi)孔率d/D>錐殼半頂角α>壁厚比t/T。

3 總結(jié)

本文對(duì)錐殼徑向接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的極限載荷進(jìn)行研究，根據(jù)32組模型的有限元計(jì)算結(jié)果，得出四個(gè)無(wú)量綱參數(shù)錐殼半頂角α、開(kāi)孔率d/D、壁厚比t/T和D/T對(duì)錐殼徑向接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)極限承載壓力的影響的大小順序?yàn)椋罕诤癖菵/T>開(kāi)孔率d/D>錐殼半頂角α>壁厚比t/T，為錐殼徑向接管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)安全評(píng)定及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1] 薛明德，杜青海，黃克智.內(nèi)壓作用下圓柱殼開(kāi)孔接管的分析設(shè)計(jì)方法[J].壓力容器，2007，24(6):17-24.

[2] 李 楠，焦厚俊，桑芝富.內(nèi)壓斜接管結(jié)構(gòu)塑性極限載荷的研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2007，29(6):970-974.

[3] 焦厚俊.內(nèi)壓作用下軸向斜接管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性的研究[D].南京：南京工業(yè)大學(xué)，2005.

[4] 王志亮，桑芝富，吳本華.圓柱殼開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)極限載荷的參數(shù)化分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(8):1-3.

[5] 路智敏，劉羽中，苗文勇.圓柱殼開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)極限載荷的有限元分析[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(3):209-212．

[6] 徐 超.外壓無(wú)折邊斜錐殼容器臨界壓力計(jì)算方法的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.