（化工过程机械专业论文）压力容器开孔应力集中在线测量与有限单元应力分析.pdf

摘要 本史n ：p c 机t ：j l l 用v i s u a lb a s i c5 0 和jq u i c kb a s i c 编制的软件，通过a d 、 d a 数模转换卜和动静态电阻应变仪建奇：了压力容器的计算机在线测量系统。蛉 系统使片】方便，能实现在线应力应变的采集，采集与处理速度快，测量精度高， 稳定。蚪好矗 小研究利用a i 。g o rf e a s 有限7 己应力分析软件，刈带有大接管无内伸端 的内门i 容器模1 靶所进行的结构成力分析，发现容器中f 盘力最大点，出现在纵 剖面大接管内壁向相贯线上赢角处。计算表明，接管部位的应力集中系数k 。 ，i 百 随开孔系蓼( i a1 兰、的增大而增大；k 。随着壁厚l l ( 形) 的增大而减小。对中 il ，z 。 j k 蒸汽分水糯进行有限单元应力计算表明，有内伸接管的最大应力出现的位置与 + 无内仲接管的不同，其在直角接管处接管的内侧并稍离伸出端。而且接管内伸对 ，最大应力的削弱影响较大，其最大应力集中系数k ，为2 0 ，比无内伸接管的情况 小，达3 0 以上。本研究还讨论了玎口- ls , 2 力集中衰减范围，端盖影响区范围， 两接管距离的影响等工程上关心的问题，并得到许多有价值的结论。 量卫、) 沁 j ) 、z 丁 a b s t r a f t i nt h ep a p e rac o m p u t e ro n - l i n em e a s u r es y s t e mo fs t r e s s s t r a i nf o rp r e s s u r ev e s s e l i ss e tu pb ya da n dd ab o a r du s e df o re x c h a n g i n gb e t w e e na n a l o ga n dd i g i t a la n da d y n a m i c s t a t i ce l e c t r i cr e s i s t a n c es t r a i ni n s t r u m e n tt h es o f t w a r ei sc o m p l i e db yv i s u a l b a s i c5 0a n dq u i c kb a s i cl a n g u a g eo np ct h es y s t e mp o s s e s s e st h ep e r f o r m a n c eo f c o n v i n c e ，h i g hs p e e da c q u i s i t i o n ，h i g ha c c u r a c ya n dg o o ds t a b i l i t y t h es t r u c t u r ea n a l y s i sh a sb e e nm a d ef o rp r e s s u r ev e s s e lo fl a r g e rn o z z l ew i t h o u t i n n e re x t e n s i o nb ya l g o rf e a sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei t i ss h o w nt h a tt h e m a x i m u ms t r e s sp o s i t i o ni si nt h ec o m e ro ft h ei n t e r s e c t i o nl i n eo fl a r g en o z z l et h e c a l c u l a t i o n ss h o wt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o rki n c r e a s e sw i t hi n c r e a s e do p e n i n g c o e f f i c i e n t ( 茜j 昙) ，a n dd c c r e a s e sw i t h i n c r e a s e dw a l l r a t i o ( 形) am id d l e p r e s s u r ev e s s e lf o rv a p o rd i v e r s i o ni sa n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o di t s h o w st h a tt h ep o s i t i o no ft h em a x i m u ms t r e s so ft h en o z z l ew i t hi n n e re x t e n s i o n i sd i f f e r e n t ，w h i c hl o c a t e di nt h ec o r n e ro ft h en o z z l ei n n e rs i d ea n dal i t t l ep a r t e d f r o mt h ee n do ft h ee x t e n s i o n t h en o z z l ew i t hi n n e re x t e n s i o nh a sb i ge f f e c to n w e a k e n e dm a x i m u ms t r e s s t h em a x i m u ms t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n tk i s 2 0 ，w h i c hi ss m a l l e r3 0 t h a nt h ec a s ew i t h o u ti n n e re x t e n s i o n t h es t r e s sf a d i n r a n g eo fo p e n i n g ，t h ei n f l u e n c er a n g eo fe n dc o v e ra n di n f l u e n c eo ft w o n o z z l e d i s t a n c ea r ed i s c u s s e d ，a n dm a n yv a l u a b l er e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d k e y w o r d ：p r e s s u r ev e s s e l ，c o m p u t e rd a t a a c q u i s i t i o n ，o p e n i n g ，n o z z l e ，s t r e s s c o n c e n t r a t i o n 苎! ! ：叁：! ：塑! 。兰坐堕! 一，_一 削舀 m j 容器足个特殊的产品，其产品质量受到幽家的高度重视，其设计、 制造、卡：；! 验均j 、i 获得国家有关部门的认计。 t ：j f i ，j 容器的人型化，对其丌孔 和接管，以及榭质的缺陷不可避免，仍存舀! 着潜在的小安令因素。容器- 丌孔 和接管是| i 力容器最典型的结构特点，这些结构也特别“泛用于石油及石油化 1l 业q 二产一h 向这些部位的强度和质量往往决定t 1 三力容器的整体强度和质量。 l i t _ j 圆柱壳j i ：7 l 、接管问题在压力容器没汁中的普遍性与重要性，有关丌 孔、接管问题已进行了广泛的研究。开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部 位，因此对丌孔和接管附近的应力集中以及补强措施必须予以足够重视。对于 这些局部应力的确定，特别是大开孔的问题，目前还没有精确的计算公式，国 内外目前一般采用实验测量和有限单元分析。我国也在1 9 9 5 年l o 月颁布了行业 标准j b 4 7 3 2 钢制压力容器分析设计标准，建议采用实验测量和有限单元分析。 但由于我国企业的技术水平低，设计和制造人员不能掌握现代的应力分析和实 验方法，使得这一标准的实施困难较大。因此，为工程技术人员提供可靠的测量 手段和编制实用的应用软件是目前的发展趋势。本研究将通过容器开孔和接管 处的应力分析和测定，在两方面对此问题进行研究，f 1 ) 压力容器的计算机在线 测量：在电测法基础上，建立了一套压力容器在线应力应变测量系统。( 2 ) 开孔 接管的有限单元应力分析，考虑不同开孔系数、壁厚比和接管有无内伸等对开 孔接管引起的局部应力进行计算，得到许多有价值得结果，并编制工程技术人 员容易接受的应用软件。该项目的研究对压力容器的设计、制造、检验、安全 运行均有重要的意义。 一 盔鲨叁! ! ：丝! l ! ：! ! 堡! 一 第一章绪论 1 1 爪力容器人开l jj 遁力应变特征 ：化】一容器设汁一 ，l hj 二各种工艺和结构要求，儿乎所有的化r 一容器都需 爱丌钆或安装接管。容器丌孔以后， 方【f | j t hj i 器壁材料被削弱，会引起应力 增加年容器强度减弱：另- 方面，由1 ：连续性被破坏，在丌孔和接管处将产牛 较大的附加弯曲应力。结果在开孔和接管处的局部地区，应力可能达到很大的 数值，这种局部的应力增加，叫做“应力集中”。这样大的局部应力，再加上有 时接管上还有外载荷所产生的应力及热应力，此外还有材质和制造缺陷等各种 因素的综合作用，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。因此在进行压 力容器设计时，歼孔附近的应力集中必须予以重视。 i 。程j 二一般都是用应力集中系数来表示孔边应力集中的程度。在压j 容器 中，应力集中系数指容器中实际的最大应力与该设备中环向薄膜应力的比值l ， 即 k = 垒 ( 1 1 ) 0 0 其中1 3 。为不考虑开孔应力集中时，压力容器中由应力作用下产生的环向薄膜应 力。 开孑l 附近的应力集中问题，多年来国内外进行了大量的理论和实验研究工 作，提出了些应力集中系数的计算方法。但是对于大开孔( 开孔率d d 0 5 ) 的应力集中问题，由于大开孔的薄壳理论解至今仍是一个在国际上未被很好解 决的难题；对压力容器的圆柱壳大开孔问题仍没有简便的方法计算。但是，困 内外在这方面已有了大量的实验结果，可供借鉴与参考。 1 、e cr o d a b a n g h i - l 在总结4 7 个光弹性模型、1 5 个钢模型及4 6 个有限元汁算模 型数据的基础上给出了应力集中系数的经验公式如f ： k ，= 2 8 ( d r ) “”( d d ) ”6 7 ( ，t ) ”( r oi t ) o ( 1 - 2 ) - - h 为接管j 壳体过渡处外园角半径，d 和d 为接管和筒体的直径，t 和f 为接管和简体的蹙厚。此式被a s m e 规范第v i i i 篇n b 一- - 3 6 8 38 所采用，通h 】范 【l ；l 为 1 0 0 ，o0 9 蔓彳 - 1 1 4 3 ，o “钐 1 2 5 埘无要瓤 ! ：型：望型型! 堡苎 2 、j d e c c o c 1 根据6 3 个光弹性模型，9 3 个钢模型的实验数据，给出了以卜绎验 公式： k=! ! 型望：笪型! ! 垄( d d ) ( d t ) 2 1 - ( d d ) 1 2 ( t t ) 3 胆 1 ：适j | j 范刚为1 4 d t 2 5 5 ，o0 4 8s t r 茎3 2 ，对d d 无垫求。 e c r o d a b a u g h l 2 i 认为，在现有的各种经验公式中，以d e c c o c k 的式( 1 3 ) 为最 好。但是应指出，与现有实验结果栩比，j 弋( 1 3 ) 的误差仍有一3 5 7 9 。 3 、美幽a s m e 规范第v i i i 篇第2 分篇规定，当接管直径较小吲( d ，d ， o 2 5 ) ， 可忽略接管直径、壁厚等结构参数的影响，k 一般取3 i 。 4 、对接管直径较大时，陈国理教授”1 提出下面的经验公式： 世：1 + a ( z 5 7 + 掣d s t 一- ) 。) ，+ 丸；j 等 式中，蝴孔系数小昙辱0 上式的适用范围为啦! 。，牡0 2 5 。 5 、对于平齐管接头最大应力发生在内转角，平齐管接头的应力集中系数计算式 世，：兰型盟! 丝坐些馨型三生丝 ( 1 - 5 ) 。 1 + f f t d d r l “2 t 6 、八十年代起，美国斯坦福大学的crs t e e l e 教授在美国压力容器委员会 ( p v r c ) 的资助下，着手解决大丌孔问题的理论解1 7 l ，他对壳体与接管界线给 出了精确的数学表达式，从n s 坐标系( n = o 时的s 线是弛的边界线) 中的d o n n e l l 扁壳方程出发来解圆柱壳开孔问题。遗憾的是，由于n s 座标系中的d o n n e l l 方程过于复杂，无法求解，故s t e e l e 所得到的并不是原来的偏微分方程的边值问 题的解，而j 是某种近似解。 7 、华东化f 学院的经树栋等以安全性分析为准则，运f j 有限元法对三台大jr 孔薄譬容器进行了分析。由计算结果分析可知，j 台设备的最大应力都发牛花 on 接铃“i 简体侧，并发现应力集中系数k 与开孔系数姜、兰之问有下面的关系： 塑坐竺一堂坐坠一 k = 14 。d - j 。亘：。 ， 3 、清华人学的薛明德等川人采用修l i 的m 。l y 力稃，以 孔率旦d 、t dy 4 j 、参 数，刈岗 i ：体大j f 孔的边界条件进行渐进展丌，得到可适用于! d o 7 情况卜的 薄膜婵沦解。 对人丌孔应力集中系数没有闭合解和近似解的情况i c ，目前多采用确限儿 法剥实际结构进行应力分析l i o - 1 4 1 。 1 2 应力应蛮的计算机在线测量 1 2 1 电测法介绍 为了，得到实际结构的应力应变，最可靠的方法是实验测定。通过试验来测定 构件上一点处压力，应变及位移方法很多。如电测法、光弹性法、云纹法等， 其中以电阻应变仪测试法应用最广泛i l 5 1 6 1 。 电阻应变仪测试法在压力容器设计中应用尤其广泛，现在随着化： 技术发 展，压力容器所承受压力越来越高，压力容器形状越来越复杂，用电阻应变仪 直接测量局部的应力和应变已为工程界普遍接受。 电测法根据电学原理，首先测定出构件表面指定点处应变，再通过虎克定律 求压力。该方法是利用传感元件将应变值换成电阻变化量，再经过放大电路放 大。它可以测静载下应变，也可测动载下应变，可测各种工况下应变，它还可 用无线电技术进行测量，此外它灵敏度高，精度高i i ”。 但电测法测量应变时每测一个节点都需要经过人工调节平衡、选灵敏度、选 量程、调节电压、读数等步骤，效率较低，不便于大量测量。并且 于是手j 测量，数据准确度也无法保障，影响数据准确度的因素会很多且无法控制。 随着计算机的广泛应用，将电阻应变仪与微型计算机联机使用，大大缩短了 测试周期，提高了测试的可靠性和准确性，更加显示了电测技术的，i 三命力。 1 2 2 现有的计算机数据采集系统及软件设计 张v 校等”采用直流电桥供电和商精度的飘移放人电路，没计多叫路f i 动测 鐾系统，其组成见f 图。这套系统的优点是技术性强，应用方便，采集时脱离电 | ； = l 麻变仪，n 测点转换快。但是操作f i 便，原理复杂。 盔! ! 叁兰塑f ! 。! 堕苎一一 图1 1 计算机j 逦力采集原理 f i g u r e1 1 t h ep r i n c i p l eo fc o m p u t e rs t c s sa c q u i s i t i o n 李文苹”9 也曾在实验中建立了 套肌力容器应力采集与数据处理系统，用j 轴向斜接管应力测试。其系统是将y j 1 6 型静态电阻应变仪放大输出的模拟量 通过接口进入i b m p c 机，软件控制实现实时应力采集，数据处理与分析。此 系统的优点是经济、方便、使用简单。 天津大学| 2 0 1 建立了一套压力容器应力采集与数据处理系统，用于变径弯头 的应力测试。其系统是将y j d 1 7 型动静态应变仪输出的模拟量通过a d 板相 连接，用软件控制进行应力采集，并能进行数据处理与分析。 1 3 有限单元应力分析 有限单元法是近似求解一般连续域问题的数值方法”1 。有限单元法产生 于本世纪5 0 年代，首先是人们人为地划分平面结构成为很多的三角形单元，将 连续结构近似为由单元所组成的离散结构，再加以分析。在有限单元法的发展 中，用节点位移插值内部位移的这种位移协调单元直占有主导的地位。为了 解决这种单元在板壳结构中的困难，推出了混合元、杂交元以及各类不协调单 元。 现在，在工程设计中较广泛采用的是以节点位移作为基本未知量。先选定一 简单多项式函数近似表示单元各点位移的分布规律，再把单元上任点位移分 量写成统一形式的位移插值函数式，即可用单元节点位移向量表示单元j ：任意 点的位移、应力和应变。在保证单元满足平衡、连续和物理性质等制约条件 f ，利用变分或虚功原理建立单元节点位移向量与节点力向量之间的特殊关系( 形 成单j ；冈u 度矩阵) ，这一步称之为单元分析。 有了节点平衡或协调条件，运用虚功原理可以得到节点位移向量与节点力向 量之j l 白j 的特殊关系( 即整体构件刚度关系式) 。得到一组以节点位移分量为未知嚣 或伊点力分量为未知量的多元一次联奇：方程组。加f ：相应的约束条件，”j 以求 解构件强度问题的数值解，此步称为构件的整体分析。 百限单元已厂泛应用了二压力容器的应力分析，如对丌y l , i - 强的有限单兀分i 接管区的弹塑性应力分折j 2 ”，压力容器的检验p ”，夫j f y l 结构的应力分析m 尘鲨尘型型11 1 1 堕兰 37 1 等。 从这此实例f 以看出，有限瞥几法l l j 退 jr 任意复杂的几何区域，便于处删 备种不同的边界条件，这。一点比常用的芹分力法更为优越。满足定条件之p 单元越小，1 ，j 1 越多，有限单元数值解的精度也就越好。电f 计算机的大存储 昔和高汁算速瞍为此提供了必爱手段。弼外，由甲元计算到集合为整体域的 自限币兀分析，都适用于计算机稃序设计，jm 计算机f j 动完成，这也是有限 译元法得以迅速发展的原因之。 随着引算机的进一步广泛应用，各种0 用的、通用的有限元结构分析程序人 量涌现出来，可以进行结构静力分析、动力分析、稳定性以及非线性分析等， 使得有限单元法得到更为广泛应用。本文采用的a l g o rf e a s 系统软件具有如 l 所有的功能，并且辅助有较好的前后处理软件。 1 4 本项目研究工作 1 、应用q u i c kb a s i c 编制a d 板驱动程序，应用v i s u a lb a s i c 50 编制控制及 处理程序及说明，绘图等辅助程序。 2 、将y 一1 7 型应变仪与i b m 4 8 6 微机通过h y - - 6 0 2 2 a d d a 板相联接， 建立了一套应力采集与数据处理系统。利用该系统对一带有3 个管径、壁厚不同 的径向接管( 其中1 个为大开孔) 的薄壁筒体进行实验应力测试。根据实验结果， 并结合其他文献提供的有关数据，讨论简体接管区域应力分布规律及应力集中系 数的影响因素。 3 、利用通用有限单元法软件a l g o rf e a 进行相应的有限元计算，分析接 管处应力分布的特征，并对中压蒸汽分水器进行了应力分析。 一 苎! ! ：叁兰塑p ! 堕堡墨 筇二二章应力应变计算机布：线测量 2 1 “算机存线测量系统 化i 机械改- ，尤其：| ! ! i i 瓜j 容器设一l - 伯：住要求容器满足以卜? 个要求：l 足够的强度；二必爱的刚度：3 足够的稳定性。提高丰勾件的承载能力和稳定性， f 限需要加人戡向f t 寸，选用优质材料，这i = j 降低材料消耗，减轻重量和节省 资金a ：晒。研究表明：构件各处应力 j ：往- 4 1 2 0 m m ( 两孔直径平均值的两 倍) ，就是说两小接管之间应当没有相互的应力影响。从图中可以发现，位于简 体同一侧的两个小接管之间不存在相互影响。该结果也正好呼应了上一节的结 论，两管的中点几乎已经出了各自的应力集中影响区范围。 5 、接管与主简壁厚比对接管最大应力集中系数的影响 在当今压力容器设计中，接管与主简壁厚比的变化越来越复杂，根据工艺要 求的不同，也要求容器接管的壁厚要具有各种规格，给设计工作带来难度。为 此本文进行了同样在5 m p a i 为压工况下的保证开孔率为0 5 5 的条件下变壁厚比应 力集中系数分析。取壁厚e l ( t t ) 分别为0 3 3 3 、0 6 6 7 、1 0 、1 3 3 和1 6 7 血种情况， 相应地最大应力集中系数，如表3 5 所示。当开孔无接管是，应力集中系数最大， 达1 0i 。 将表3 5 内的数据绘制成图，如图3 1 2 所示。从图中可以清晰地发现，随着 蛑值的增大k ，值在减小。这符合实际情况，是不难理解的。产生这种结果的 蛭坂闪在f - ：随着增大，即相应的t 在增大，这使得结构突变程度变小，强 ，i f _ ：提高，就象是在对接管进行补强。从烈3 1 2 可见，0 6 s 10 足较为合理 的取值。根据不同的容器用途和工况，选择适当的壁厚比尤为重要。 天津人学坝f 学位论义 表3 5 壁厚比对应力集t ，系数的影响 t a b l e3 - 5f h ee f f e c to fw a l lr a t i oo ns t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e m c i e n t 接管内、 o 接营厚度擘j 亨比最k 两b薄膜解廊力集中系数 【m m ) 们m p am p ak 5 80o8 8 2 88 7 51 0l 5 720 3 3 34 8 6 18 7555 6 5 6 l 实例)406 6 73 7 4 98 7 54 2 8 j 56】3 3 0 98 7 5 3 7 8 5 4813 3 32 9 5 3 8 753 3 7 5 31 01 6 6 72 7 0 6 8 7 530 9 3 5 小结 图3 - 1 2 壁厚比对i ( 的影响 f i g u r e3 - 1 2t h ee f f e c to f w a l lr a t i oo hk l 埘试验容器的有限单元分析得到如下结论： 刈f 平齐丌孔接管，最大应力发生在接管根部筒体纵截面的内侧，坏向应力 4 l 天津人掌坝卜缸论殳 为最大。 2 t 孔系数o8 4 的范围内，应力集中系数j7 1 ：孔系数成线性关系。建汉应 力集中系数按。一计算k = o9 。8 茜j 昙+ 22 5 3 分别给出了门： 二和端盖的应力集中衰减范韦l 为2 0 i f 和1 o 、厂页了。 4 随壁厚比的增加，应力集中系数衰减，l , t = o6 1 是较为合适的选择。 天津大学硬士学位论文 第四章中压蒸汽分水器应力分析 图4 - 1 中压蒸汽分水器 f i g u r e4 - 1m i d d l ep r e s s u r ed i v e r s i o nv e s s e l 本章将对金属结构厂提供的中压蒸汽分水器进行有限单元应力计算分析，图 一 墨竖竺：兰塑! 兰堡丝! 一 一一一 4 1 为结构图。 4 1 有限元建模 图4 2 有限元网格划分 f i g u r e4 - 2m e s ho ff e m 有限单元网格建模如图4 2 所示。采用三维实体单元( s o l i d ) 以满足计算精 度。建模过程中对实体进行了简化。上下接管直径较小，并且不是本课题的 要讨论对象，对其未加入本模型中，仅留一与接管直径相当的小开孔。在 容器f 半处的简体支腿，由于在焊接处已有衬板加以补强，而且工作介质为蒸 汽，整个简体由整体自重在此处引起的应力集中与由内压引起的应力相比较小， 所以支腿在建模时也未加入。对两边接管，建模过程中将其终端处加以平板 l 盖，以考虑轴向应力对接管的应力分布的影响，但避免封盖剐性的影响，所 以延长接管的长度。整个模型以中心轴所在的平面对称，整个结构虽沿小 接管。h 心轴并垂直简体中心轴的平面不完全对称，仇所考虑接管处的应力由 j j 。j 啬f ；效庳，这种非完全对称并不影响计算结粜，故建模时将其作对称考虑， 叭以采用如图所不的整体八分之一部分作为考虑刈象。 一 垒鲨垒竺型! 兰堡堡墨 简体郁接管的相贯部分，是应力集中所花，故需对其进行网格细化。f ： 采用蔓维实体八结点单元，线条多而儿复杂，所以利用a u t ol i s p 语言进行相贯 处单元的划分，以保证单元划分的精度。 对此窖器进行了四种情况的计算，接管有内伸端且加焊缝，此与实际模 犁相符；接管有内 申( 9 2 m m ) 但忽略焊缝；接管无内伸端且加焊缝；接管 无内伸端但忽略焊缝。 4 2 有限元计算结果分析 4 - 2 1 应力变化趋势分析 采用a l g o rf e a s 有限元计算程序，用后处理模块s v i e w 显示计算结果。 应力分布整体图及接管处应力放大图分别如图4 3 、4 - 4 所示( 均是情况) 。 从图中可以看出最大应力处与第三章讨论的无接管的最大应力出现的地方不 同，其在宣角接管处接管的内侧并稍离伸出端。 图4 3 整体应力分伽 f i g u r e4 3g l o b a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n 4 5 墨堡! 兰竺! ：| ! 些丝兰一一 图4 - 4 接管处应力分布局部放大 f i g u r e4 - 4e n l a r g m c n to f n o z z l el o c a la r e a 由第三章的讨论分析知厚壁圆筒接管处应力，内侧大于外侧，所以对中压蒸 汽分水器的应力分析仅以内侧面为考虑对象。 接管处最大应力沿接管轴向的应力变化如图4 5 所示，四种情况的应力均随 距离的变化而迅速衰减，并且最终应力趋于一致。有内伸情况、接管处应 力比无内伸情况、集中应力明显减小，四种情况的最大集中应力分别为 1 5 4 1 m p a 。1 4 7 7 m p a ，2 2 1 9 m p a 和2 2 8 9 m p a 。小于屈服应力，并且限制在很 小的局部，因此在工作压力下是安全的。由于焊缝引起的的情况和及和 差异并不大而且应力很快趋于一致。 沿筒体轴向的应力变化如图4 - 6 所示，其变化情况与图4 5 相似。 图4 7 是沿相贯线的应力的变化。有接管内伸的两种情况与无内伸的情况的 心力变化曲线明显不同。有内伸时应力在莳4 5 0 左右的变化是递增的趋势，然后 转变为递减的趋势。接管与简体相交是一空问曲线，接管内伸端的长度随角度 先减小历变人，往9 0 0 达到最小值，而后在对称的l8 0 0 达到原最大值。在传统的 九内伸府力集中最夫处即直角接管处，内仲端的长度是整个接管处最人的( 此 4 6 灭津人学坝卜学t 立沦文 - ，_ _ - _ ，_ h _ _ _ ，_ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 例一 j 为9 2 m m l ，内伸接管增加了相接处的柔性，使应力减小，但随着角度的变 化，内伸长度减小引起的应力减小幅度减弱。接管相贯线上应力较小处即9 0 0 处，内伸长已减小最小( 此例中为4 0 m m ) ，内伸引起的应力减小幅度为虽弱， 故现了图4 7 心0 变，匕的情况，图4 7 中，所示无内伸时在9 0 0 处应力比其它 两种情况小，这是由1 二百内伸的接管相贯线l 。接管厚度的存在。 d i s t a n c e ( m m ) 图4 5 沿接管内侧轴向的应力变化 f i g u r e4 - 5s t r e s sc h a n g ei na x i a ld i r e c t i o no fn o z z l ei n n e r 言山芝一o墨o一q、 苎堡叁兰塑! 兰堕堡墨一 图4 - 6 沿简体轴向的应力的变化 f i g u r e4 - 6s t r e s sc h a r t g ei na x i a ld i r e c t i o no f c y l i n d e r a n g l e ( d e g r e e ) 图4 7 沿内侧相贯线的应力的变化 f i g u r e4 - 7s t r e s sc h a n g ei ni n n e ri n t e r s e c t i o nl i n e 一对山毫一o扫u一q、i 每厶苫j)2苗一日 灭j # 人学坝f 学( 立论立 4 2 2 心力集r f ，系数 四种h 算情况的接管处最大应力值及应力集中系数如表4 1 所示。 表4 - 1 接管处最大应力值及应力集。p 系数( 简体均匀处应力7 3 7 6m p a ) t a b l e4 一lm a x i m u ms t r e s sa n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o nt o e f f i c i e mi u n o z z l e ( h o m o g e n o u ss t r e s si nc y l i n d e ri s7 37 6 m p a ) 弹例 鼹人府力o ( m p a ) 麻力集中系数k t i 内坤加焊缝1 4 7420 2 内伸无焊缝1 5 41 2 1 3 无内伸加荦缝 2 2 1 93 ，o o 4 无内伸焊缝 2 2 893 1 0 由最大应力集中系数可以看出，接管内伸对减小应力集中有很大的影响，减 小幅度达3 0 。因此，采用内伸接管的结构可降低应力集中。而焊缝的存在并 不能明显减小接管处的应力集中。因此为简单起见，可以按无焊缝来处理，这 样得到的结果误差不大，且偏于安全。 4 3 小结 对中压蒸汽分水器进行的有限单元应力分析表明： 1 在工作压力下此容器可安全工作。 2 有内伸接管的最大应力出现的位置与无内伸端的不同其在直角接管处接管 的内侧并稍离伸出端。 3 有内伸接管的筒体上最大应力比无内伸接管的最大应力小3 0 4 焊缝的存在并不能明显减小接管处的应力集中。因此为简单起见，可以按无 焊缝来处理，这样得到的结果误差不大，偏于安全。 4 9 7 , 1 ek 学坝 学位论义 第五章结论 1在p c 机上利用v i s u a lb a s i c5 0 和q u i c kb a s i c 编制的控制软件，通过a d 、 d a 数模转换卡和动静态电阻应变仪建立了压力容器的计算机在线测量系 统，本系统使用方便，能实现在线应力应变的采集，采集与处理速度快，测 量精度高，稳定性好。 2 本文用a l g o rf e a s 有限元应力分析软件，对带有大接管无内伸端的 内压容器模型所进行的结构应力分析，发现容器中应力集中最大点，出现 在纵剖面大接管内壁面相贯线上直角处，并与实测结果吻合。 3 计算表明，在开孔系数o 8 - - 4 的范围内，应力集中系数与开孔系数成线性关 d _ 再 系。建议应力集中系数按下式计算k ，= o 9 0 8 景、。石- + 2 2 5 ； uyz , l 4 应力集中系数k 。随着壁厚比( ) 的增大而减小，t t = 0 6 1 0 是较为合适的 ，j 选择。 4 对中压蒸汽分水器进行有限单元应力计算表明，有接管内伸的最大应力出现 的位置与无内伸端的不同，其在直角接管处接管的内侧并稍离伸出端。而且 接管内伸对最大应力的削弱影响较大，其最大应力集中系数l ( 为2 0 ，比无内 伸接管的情况小，达3 0 以上。 5 焊缝的存在并不能明显减小接管处的应力集中。因此为简单起见，可以按无 焊缝来处理，这样得到的结果误差不大，且偏于安全。 6 通过计算，分别给出了开孔和端盖的应力集中衰减范围为2 0 r 丁和1 o r r 。 天津人。 顺j 学位论虹 符号说明 接管中面直径 接管内直径 筒体中商直径 弹性模量 应变片灵敏系数 应力集中系数 导线长度 离开孔的距离 简体中面半径 电阻 接管壁厚 简体壁厚 环向应力 经向应力 m i s e s 有效应力 屈服应力 泊松比 开孔系数 电阻率 d d d e k k， l r r 。 t b _ 吼 “ x p 尺# ”入学坝i 学位论史 附录 心力采集与处理系统”s g l 0 安装及使用说明 、运行环境要求 1 、硬件要求：4 8 6 c p u 以上微机，1 6 m 以上内存，2 g 以上硬盘空l t 日j ，2 5 6 色显号。 2 、操作环境：w in d o w s 9 5 9 8 n t 4 0 操作系统； 文配合软件：a 1 9 0 r 有限元软件：v b 50 可视化编程软件。 、安装运行说明 1 、安装 本系统大小为4 2 m ，共有三张安装磁盘，可按下述方法进行安装： 先将磁盘所有内容考入硬盘一目录下，打开d i s k l 目录，双击s e t u p e x e 程 序，按照安装程序运行提示进行安装即可。 2 、使用 本系统开发为u i n d o w s 可视化程序，在w i n d o w s 的“开始”下的“程序”栏 中可以看到s g i 0 的快捷方式，单击，即进入程序主体。依窗口步骤执行即可。 参考文献 【1 1 范饮珊骟，f - 力容器的戍力分析与强度改计，i b 京：原f 能出版社，1 9 7 9 ， 【2 e cr o d a b a u g ha n dsem o o r e ，s t r e s si n d i c e sa n df l e x i b i l i t yf a c t o r sf o rn o z z l e si np r e s s u r e v e s s e la n dp i p i n g ，n u r e g c r - - 0 7 7 8 ，j u n e1 9 7 9 【3 】jd e c c o c kr e i n f o r c e m e n tm e t h o do fo p e n i n g si nc y l i n d r i c a lp r e s s u r ev e s s e l ss u b j e c t e dt o i n t e r n a lp r e s s u r e ，w e l d i n gr e s e a r c h a b r o a d ，n o v 1 9 7 5 【4 】a s m eb i o l e ra n dp r e s s u r ev e s s e lc o d e ，s e c t i o nv i i i - - d i v i s i o n2 ，a r t i c l e4 6 ，1 9 9 2 【5 】陈国理编，压力容器及化上设备，华南理1 人学出版社，1 9 9 0 f 6 】离永泉谴，“悍制压力容器平齐接管接头和挤压翻边管接头庖力集中系数的确定和疲劳的 评定”武汉锅炉厂技术交流，总第4 0 期，1 9 7 6 ，1 l ( 7 】c rs t e e l ea n dm ls t a l e ，s t r e s sa n a l y s i so fn o z z l e si nc y l i n d r i c a lv e s s e l sw i t he x t e m a t l o a d ，a s m ejo f p r e s s v e s s e lt e c h ，1 9 8 3 1 0 5 ( 2 ) 1 9 1 【8 】经树栋，千允昌，开孔率大于0 5 的容器接管区有限元分析设计，1 9 9 1 ，8 ( 3 ) ，3 9 【9 】薛明德等，圆柱壳火开孔的薄壳理论解，力学学报，1 9 9 5 ，2 7 ( 4 ) ，8 9 【1 0 】g u e d e se ，d en o r o n h ar f ，c i r c u l a ro p e n i n gr e i n f o r c e m e n tt oa s m ec o d es e c t i o n v i i ia a n a l y t i c a lp r o c e d u r ev e r s u sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a s m ep r e s sv e s sp i p i n g c o n fp v p3 5 3 n e wy o r ka s m e ，1 9 7 7 ，3 2 5 【1 1 】成中山王宽福，球形容器接管环带区的应力集中系数研究，压力容器，1 9 9 6 ，1 3 ( 2 ) ， 2 9 【1 2 】刘学东，谢铁军，r 信伟，赞匡国，用有限单元法对内压柱壳开孔平齐接管的应力集中 系数研究，压力容器，1 9 9 0 ，7 ( 1 ) ，3 8 【l3 w e i s se n o t c hs t r e s sa n a l y s i sb yf es u b m o d e l i n g