关键词：有限元分析，压力容器，开孔结构，应力强度，斜接管
The finite element analysis about the oblique opening of the pressure container based on the APDL
Dai Yue-hong
Zhenjiang College jiangshu 212003
Abstract: Due to the use of special environment, pressure vessel structure must meet the requirements of design. ANSYS software can optimize the structure parameters of pressure vessel design, greatly improve the efficiency of pressure vessel design and analysis. This paper studies the pressure vessel to radial oblique hole structure finite element, completes the design of the 3 d model, analysis the parameters affecting the inclined pipe stress strength point of view, the thickness of the parameters, tapping coefficient parameters, the position parameters.
Key Words: finite element analysis, pressure container, opening structure, stress intensity, oblique nozzle
1.引言
压力容器关键部件种类很多，涉及面较广，主要是指封头、开孔、补强、法兰等与主体连接的结构。它是容器不可缺少的组成部分。压力容器在特定的操作条件下，不仅要求其主体必须满足设计要求，而且其关键部件也应符合结构、材料、性能等方面的要求。ANSYS软件可以对压力容器的各结构参数进行优化设计，极大地提高压力容器设计、分析的效率。
2. 接管径向斜开孔有限元建模
2.1几何参数与设计参数
本文所研究的接管径向斜开孔结构，其基本几何结构如图１所示。本设计采用的结构尺寸如表1所示。
图1接管径向斜开孔结构几何外形尺寸图
表1接管径向开孔结构几何尺寸（单位：mm）
| 设备内径Dis | 接管结构参数Ls | 接管外径Dot | 接管外伸长度Le |
| 1350 | 1000 | 200 | 1000 |
| 设备壁厚Ts | 接管结构参数Ld | 接管厚度Tt | 接管与设备轴线夹角α |
| 21.75 | 1000 | 6 | 45 |
设计压力P=2.0MPa，设计温度25℃，焊接接头系数1.0，腐蚀余量C2=0.45。
2.2有限元模型建立
生成的接管径向斜开孔模型如图2所示。
图2接管径向斜开孔模型
使用APDL命令流建立压力容器接管斜开孔模型，通过以下几步实现：
（1）首先定义各关键点，利用关键点生成线，利用旋转命令生成筒体模型；
（2）为了确保后续网格划分工作顺利进行，利用分割以及布尔运算产生斜开孔部分切割面。采用部分圆柱体切割筒体，考虑到工程上接管的应力影响区域，对接管周围两倍大小的区域进行切割。切分部分圆柱体如图3所示。
图3切割部分圆柱体示意图
（3）通过函数访问ANSYS数据库数据，提取关键点，并建立附加关键点，建立接管部分模型。最后将各个部分通过布尔运算结合起来，形成一个整体模型。
2.3网格划分
对于接管径向斜开孔模块，使用xMESH命令生成网格。本分析中共划分了4448个SOLID95单元，25389个节点，具体划分网格后的接管径向斜开孔模型如图４所示。
图4接管径向开孔模型网格划分
2.4加载与求解
图5施加边界条件和载荷后的模型
本文进行的是静态结构分析，所以采用程序自动推荐的求解方法。应用ANSYS中流程控制的方法，即采用*IF条件分支语句，提高了程序的可读性。
3.斜接管应力强度影响因素分析
3.1建模参数
以压力容器径向开孔接管为例，对影响斜接管应力强度的因素进行分析并结合应力分类方法对结果进行评定。
如图1所示，为压力容器径向斜接管的几何示意图，本章中针对其中的关键参数进行计算。主要计算参数见表２。
表２计算参数表
| P | Dis | Ts | Ls | Ld | Dot | Tt | Le | α | /dD | /tT | D/T | |
| /Mpa | /mm | /mm | /mm | /mm | /mm | /mm | /mm | / | 0.141 | 0.276 | 63 | |
| 1 | 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | o | 0.141 | 0.276 | 63 |
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 0.141 | 0.276 | 63 | ||
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 | |
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 30 | 0.141 | 0.552 | 63 | |
| 2 | 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 12 | 1000 | 60 | 0.141 | 1 | 63 |
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 21.75 | 1000 | 90 | 0.28 | 0.276 | 63 | |
| 3 | 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 400 | 6 | 1000 | 45 | 0.43 | 0.276 | 63 |
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 600 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 | |
| 4 | 0.2 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 |
| 0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 | |
| 10.0 | 1350 | 21.75 | 1000 | 1000 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 | |
| 5 | 2.0 | 1350 | 21.75 | 600 | 1400 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 |
| 2.0 | 1350 | 21.75 | 1400 | 600 | 200 | 6 | 1000 | 45 | 0.141 | 0.276 | 63 |
在危险区域沿壁厚画一条评定线，，经ANSYS线性化处理后得到接管相贯区应力最大点沿壁厚的局部薄膜应力、弯曲应力、一次加二次应力、峰值应力和总应力的数值，因为不考虑疲劳，因此只对局部薄膜应力和一次加二次应力进行评定。在每一种条件下，均划分4条路径，分布位于接管及筒体的锐角侧和钝角侧，评定时选取最大值。
3.3角度参数影响分析
GB150-1998中关于“开孔和开孔补强”：壳体上的开孔应为圆形、椭圆或长圆形，孔长短径之比应不大于2.0。
当容器壳体开有椭圆孔时，孔边应力最高，且其值和椭圆形孔的布置方位有关，而且和椭圆形孔的长短径之比有关，即与图中所示α角的大小有关。选取30°、45°、60°、90°这几个不同的α角，在其他几何和载荷条件不变的情况下进行结构应力强度分析。应力分类方法对结构进行评定，以角度参数为横坐标，以应力强度为纵坐标，建立曲线，如图６所示。从图中可以直观的了解到随着角度参数的增大，斜开孔接管结构的应力强度明显降低。
图7应力强度-角度参数曲线
3.4厚度参数影响分析
在不改变筒体厚度的前提下，逐渐增大接管厚度，直到接管厚度和筒体厚度之比为1：1。筒体和接管相贯区总是应力集中比较明显的区域，也是分析和设计中最关心的区域之一。所以有必要对接管和筒体的厚度比进行研究。分别对接管和筒体的厚度比分别为0.552和1的情况进行分析。以接管和筒体的厚度比为横坐标，以应力强度值为纵坐标绘制曲线，如图８所示。可知，随着接管与筒体厚度比的增大，应力强度降低。
图８应力强度-厚度参数曲线
3.5开孔系数参数影响分析
GB150-1998中关于圆筒开孔，当其Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；当其内径Di>1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤1000mm。在这个范围之内，在不改变其他因素的前提下，增大开孔接管直径，开孔系数分别为0.28和0.43。表4为应用应力分类方法对其进行评定。以开孔系数为横坐标，以应力强度值为纵坐标绘制曲线，如图９所示。从分析结果可知开孔参数对斜接管的应力强度影响巨大，可以列为首要因素加以考虑，应力强度不能通过评定，结构不符合要求，实际应用中遇此种情况需要通过补强或者改变结构特点进行重新设计或补救。
图９应力强度-开孔系数曲线
3.6位置参数影响分析
Ls和Ld确定了开孔接管在整个容器中的位置，由于筒体两侧边界条件施加不同，一侧为全约束，一侧为等效面载荷。在应力影响范围内改变开孔位置，观察应力强度变化。分别对Ls/Ld=600/1400=0.428，Ls/Ld=1400/600=2.333，Ls/Ld=1000/1000=1的应力强度进行计算。以位置参数横坐标，以应力强度值为纵坐标绘制曲线，如图10所示。从结果可知，虽然筒体两侧采用了不同的约束条件，但是只要在应力影响范围之内，位置因素对斜接管的强度影响可以忽略不计。
图10应力强度-位置参数曲线
结束语
本文在压力容器关键部件结构参数化有限元计算的程序开发方面做了一些探索性的研究工作，初步实现了压力容器关键部件参数化有限元分析计算的基本功能。可以进行工程上的简化计算，大大节省了计算时间。
参考文献
[1]郑津洋,董其伍,桑芝富等.过程设备设计.北京:化学工业出版社,2005.
[2]GB150-1997.钢制压力容器.北京:中国标准出版社,1998.
[3]HG20582-1998.钢制化工容器强度计算规定.北京:全国化工工程建设标准编辑中心,1999.
[4]叶文邦,张建荣,曹文辉.压力容器设计指导手册.昆明:云南科技出版社,2006.8.
[5]夏致云.GB150与ASME规范关于开孔补强的异同.压力容器,2006,123（6）:49~51.
[6]温鑫鑫,王开和,卢学军等.基于VB和APDL的水泵房专用模态分析系统的研究.轻工机械,2006,24（3）:146~148.
[7]陈珂,张茂.基于ANSYS的参数化设计与分析方法.机械工程师,2007（1）:80~83.
