关键词：薄壁容器，大开孔，新型补强结构，有限元分析
Design of Thin-walled Container Large Opening New Reinforcement Structure
Dai Yue-hong
Zhenjiang College jiangshu 212003
Abstract:A model of thin-walled pressure vessel with a large opening is given. The new reinforcement methods are carried out for the large opening with different number of ribbed plates and different welding angles of ribbed plates. The number and the location of ribbed plates is defined by the finite element calculations and the stress analysis of the different reinforcement structures. Buckling analysis is carried out to check the stability of the defined reinforcement structure.
Key words: thin walled vessel, large opening, new reinforcement structure, finite elements analysis
1.引言
薄壁容器广泛应用于电厂中，其优点是制造方便，成本低廉，适用于制作中低压的设备或容器。随着化工工艺的发展，设备的用途朝多元化发展，设备的结构也越来越复杂，经常要求在薄壁容器上设置开孔率大于0.5的大开孔。当大开孔薄壁容器超出规则设计对开孔补强范围的要求时，需采用分析设计的方法对开孔区域进行应力分析和结构设计，当开孔的大小、方位、形状或受力情况不能通过方程和公式进行应力计算和补强计算时，便采用有限元的数值方法对容器开孔结构进行应力分析和补强设计。
2. 模型和技术参数
对薄壁容器开孔补强结构的设计，当开孔率较小时可以根据GB150的方法计算所需补强面积，然后在补强圈，厚壁接管或整体锻件补强结构中选择一种补强结构对开孔进行补强。当开孔率大于0.5时，开孔区应力集中系数增大，开孔区除了薄膜应力，还存在较大的弯曲应力，所需的补强面积较大。若采用补强圈对大开孔进行补强，由于补强面积过于分散不能达到好的补强效果；若采用厚壁接管进行补强，由于所需补强面积大，因此需要壁厚较大的接管，容易增加成本，并且增加制造难度；若采用整体锻件进行补强同样会增大制造难度和制造成本。针对薄壁容器大开孔的补强设计，本文提出在补强圈上加筋板的新型补强结构，此结构既能满足强度和刚度要求，且节省材料，易于加工，降低了加工成本。以下介绍对薄壁容器大开孔新型补强结构的计算模型。
（1）模型参数
主壳内径：Ri=1000mm，主壳壁厚：T=16mm，主壳长度：L=4000mm；
支管内径：ri=700mm，支管壁厚：t=16mm，支管外伸长度：l=800mm；
（2）技术参数
计算压力：0.6MPa，设计温度：400℃，焊接接头系数：1.0。
（3）筒体与接管材料性能参数
筒体和接管的材料均采用16MnR，其弹性模量为1.72×105MPa，泊松比为0.3，设计温度下（400℃)的许用应力为103Mpa。
3.有限元模型的建立与加载
3.1有限元模型的建立
首先对未补强的圆柱壳与接管结构进行应力计算与分析。采用SOLID95单元划分网格，SOLID95单元是有20个节点的高次单元，允许不规则变形和大位移变形，允许单元边界弯曲。每个SOLID95单元有3个自由度，分别是沿节点坐标系X、Y和Z三个方向的平动，单元具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形以及大应变的能力。接管与主壳相贯区是应力集中和应力分布比较复杂的区域，因而靠近相贯区的结构采用较细的网格，而在离开开孔相贯区的结构采用较粗的网格，最终得到的有限元网格模型有68804个节点，有限元模型如图1所示。
图1大开孔率有限元模型
3.2 模型的加载和计算
约束的施加：此模型为整体模型的1/4，因此需要在横截面上施加Z方向的对称约束，在纵截面上施加Y方向的对称约束；为了防止构件发生刚体位移，在接管上端面施加x方向的0位移约束。
载荷的施加：在结构所有内表面施加0.6MPa的均匀内压；在筒体端面施加由内压引起的端面均布载荷，大小为：
4.应力结果分析
4.1应力强度分布图
在通用后处理器中可以查看整个模型在计算工况下的受力情况，该分析结果包含了各个节点的应力和位移值。可以用ANSYS的后处理工具POST1查看各个节点应力和位移值，图2为模型计算结果——节点应力强度分布图。
图2未补强结构的应力强度分布
4.2应力线性化评定
路径是模型上一系列由节点或坐标位置定义的轨迹。路径操作的意义是将某个结果数据映射到模型中一条由用户指定的路径上，在应力分析中，将分析结果的应力强度映射到路径上得到应力分类线。ANSYS将自动对应力分类线上的应力进行平均化和线性化处理。其基本原理是先利用沿应力分类线上节点的应力分
部薄膜应力，用3倍的Smt来限制开孔区一次加二次应力值。详细的评定结果见表1。由评定结果（见表1）知，结构在内压为0.6MPa的载荷作用下，其相贯区域的薄膜应力强度和一次加二次应力强度值已超出许用应力值，所以需对此薄壁容器的大开孔进行补强。
图2未补强结构强度评定路径的设定
表1未补强结构的应力评定
| 应力分类 | 应力强度评定 | 评定结果 |
| 路径1 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝221.8MPa＞1.5Smt=154.5MPa | 不合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝313.7MPa＞3.0Smt=309MPa | 不合格 |
目前常用的补强方法是用补强圈补强，由于本文研究的模型开孔率较大（0.5<ρ0=0.7），超出了以常规设计为根据的GB150——钢制压力容器设计标准的范围，所以，采用ASME法计算补强圈的尺寸：
由Smt=103MPa,可得到补强圈的外径为2452.6mm，即补强圈的宽度（内外半径之差）为510.3mm，考虑到开孔的半径为700mm，主壳的半径仅为1000mm，且补强有效宽度为127.5mm，因此只采用补强圈补强时，不能满足开孔区域对补强面积的要求。根据补强的有效高度和宽度，加大补强圈的面积会造成补强结构分散，不能达到有效的补强效果；增大补强圈的厚度又容易引起补强圈和壳体之间焊接应力和热应力的增大。因此，参考建筑工程上常用的加筋板补强方法，采用在补强圈与接管之间焊接筋板的结构对筒体接管开孔区域进行补强，可以在不增加补强圈面积和厚度的前提下有效地提高补强效果，达到强度和稳定性的要求。为验证此补强方法的合理性和可行性，本文采用大型力学分析软件ANSYS分别对仅采用补强圈补强结构和焊接不同数目筋板的新型补强结构进行了强度和稳定性的分析，根据线性化评定结果确定适合薄壁容器大开孔新型补强结构的筋板数目。
当仅采用补强圈补强时，根据计算得到的补强有效高度与宽度，取补强圈的外直径为866mm，即补强圈的宽度为150mm，补强圈厚度与筒体相同，取为16mm。模型见图4。
图4采用补强圈补强的结构模型图
根据模型的对称性，取模型的1/4进行计算分析，载荷与位移约束的施加及计算方法与未补强模型相同，其加载图与应力强度分布图分别见图5，6。
图5补强圈补强结构加载图 图6 补强圈补强结构的应力分布图
从应力分布图可以看出，开孔相贯区总应力的最大值明显下降，但应力最大点的线性化评定结果的局部薄膜应力强度为176.3MPa，仍大于1.5倍的材料在设计温度下应力许用值154.5MPa。因此，不符合强度要求，需要增加补强面积。
从上述未补强结构和仅采用补强圈补强的结构应力强度分布图可以看出，应力集中区域位于接管与筒体相贯区的纵向截面处。因此，在补强圈上于接管与筒体相贯部位的纵向截面处沿轴向焊接两块筋板。其补强结构如下图7所示。
图7采用2块筋板（轴向）补强的结构模型图
所采用筋板的宽度与补强圈的宽度一致，取150mm；根据补强有效高度，筋板高度取150mm，筋板厚度与筒体的厚度一致，取16mm。
考虑到对称性，采用1/4模型进行计算，其载荷与位移约束的施加同上述模型，新型补强结构的加载图与计算结果的应力强度分布图见图8。
图8 2块筋板（轴向)补强结构的加载图和应力分布图
与未补强结构相比，筋板与补强圈联合补强结构的应力集中区域明显缩小，应力强度最大值也明显降低。过危险区域应力最大值点进行线性化应力分类，得到的一次局部薄膜应力为136.3MPa，明显小于设计温度下1.5倍的许用应力极限值。可见，采用筋板与补强圈组合的新型结构对薄壁容器的大开孔进行补强是能达到强度要求的，而且此补强方法所占筒体面积小、易于加工制造，比厚壁接管补强结构更节省成本。
为了研究筋板数目和筋板焊接位置与筒体开孔区应力分布的规律，现改变筋板的数目和位置建模并分别对不同的补强结构进行应力分析。考虑到整体结构的对称性，分别建立2块（周向）、4块、6块（轴向)、6块（周向)、8块和12块筋板的补强模型进行应力计算与分析，分别在上述不同补强结构筒体与接管相贯区的应力最大值处进行线性化评定，所得应力评定结果见表2。
表2不同补强结构的应力评定结果
| 应力分类 | 应力强度评定 | 评定结果 |
| 未补强结构 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝221.8MPa＞1.5Smt=154.5MPa | 不合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝313.7MPa＞3.0Smt=309MPa | 不合格 |
| 补强圈补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝176.3MPa＞1.5Smt=154.5MPa | 不合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝216.5MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
| 2块筋板（轴向)补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝136.3MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝216.6MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
| 2块筋板（周向)补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝144.6MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝213.9MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
| 4块筋板补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝127.5MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝202.4MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
| 6块筋板（轴向)补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝135.5MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝203.8MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
| 6块筋板（周向)补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝142.4MPa＜1.5Sm=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝215.5MPa＜3.0Sm=309MPa | 合格 |
| 8块筋板补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝122.9MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝196.2MPa＜3.0Sm=309MPa | 合格 |
| 12块筋板补强 | ||
| 局部薄膜应力强度 | SⅡ＝127.9MPa＜1.5Smt=154.5MPa | 合格 |
| 一次应力＋二次应力强度 | SⅣ＝180.0MPa＜3.0Smt=309MPa | 合格 |
根据应力线形化评定结果，改变筋板数目和筋板位置，结构的局部薄膜应力强度也随之改变，总体趋势是随筋板数目的增加，局部薄膜应力渐小；当筋板数目为3的整数倍时，局部薄膜应力稍有增加，见6块筋板和12块筋板补强结构的应力分析结果；当筋板数目为4的整数倍时，局部薄膜应力较低，见4块筋板与8块筋板补强结构的应力分析结果；筋板沿轴向焊接补强时，结构的局部薄膜应力较低，筋板沿周向焊接补强时，结构的局部薄膜应力较高，见2块筋板轴向与周向补强，以及6块筋板的轴向与周向补强。
根据各补强结构的应力强度分布云图，随着筋板数目的增加，应力集中区域的面积逐渐减小，筒体上除开孔相贯区的其它区域受力趋向均匀。采用12块板补强时应力集中区域的面积最小。
综上，在内压作用下，采用新型补强结构的筋板加补强圈结构对薄壁容器大开孔进行补强时，焊接筋板的数目为4的整数倍时结构的受力较好；当可以选择筋板补强方位时（如2块筋板或6块筋板），筋板沿轴向焊接比沿周向焊接补强效果好。筋板数目越多，结构的总应力与一次加二次应力越小，应力集中区域面积也越小，但相应的加工成本也随之增加，应综合强度要求和加工成本来确定新型补强结构筋板的合适数目。根据上述分析结果，可考虑用8块板进行补强，当对应力要求不高时也可沿轴向焊接2块筋板，或焊接4块筋板进行补强。
结束语
随着工业的发展，压力容器逐渐向复杂化，大型化和精细化发展。由于工艺的需要，大多数容器的设计过程已不能按照常规设计进行，针对超出设计标准的设备，通常采用有限元法进行数值计算，因此有限元计算软件ANSYS也越来越多地用到压力容器的各种应力分析中。本文运用ANSYS的优化模块对确定筋板数目和方位的新型补强结构进行优化，得到优化的筋板尺寸，从而在满足补强要求的前提下减小了材料消耗，节约了生产成本。
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