接管建模时到底需不需要考虑法兰的影响？

开孔补强计算方法有哪些？

压力容器设计中传统的常规开孔补强计算方法就是等面积法，同时还有压力面积法和分析法，在ASME标准中还引入了ASME弯矩法和计及双向弯矩的补强计算方法。众所周知，等面积法和压力面积法都是有开孔率限制的，一旦开孔超过限制条件，则两者均无法计算了，关于其开孔率限制的原因，是因为这两种方法均只考虑了一次拉伸强度问题，而实际上对于大开孔，则开孔边缘还会存在很大的弯曲应力，弯曲应力中甚至存在很大一部分一次成分的应力。关于上述几种方法和有限元法的原理、准则和适用范围笔者在此不再赘述，可看公 众号最早期发布的一篇文章，可点击链接：【常规设计】工程常用开孔补强方法的原理探讨

有限元分析计算中，接管法兰力矩、伸出长度及法兰厚度的影响？

有限元分析中，计算模型的合理性简化是最基本也是最重要的，如果模型与实际情况不符，那后续一切的计算结果都是白搭。而对于大开孔结构的应力分析中，为了简化，计算模型中往往不计接管法兰的影响，而是只建到接管端部并施加以等效压力进行处理。由于接管一般不会很长，为此接管法兰的法兰力矩，必然会传至圆筒开孔边缘。圆筒大开孔后，孔边本来应力就很大，特别是有弯曲应力存在。因此由接管法兰的法兰力矩引起的弯曲应力与圆筒孔边的弯曲应力的相互耦合是不可避免的。其相互作用的结果，对孔边的应力的影响结果如何？是应该加以考证的。如使孔边应力大大加剧，则忽略接管法兰的计算模型是不可取的。究竟如何？为此需对法兰和法兰力矩的影响加以考证（摘自桑如苞老师论文）。

法兰力矩对圆筒大开孔边缘应力的影响规律？

桑老师的论文中分别以不带接管法兰和带接管法兰两种模型进行了对比计算，以考察法兰及力矩对圆筒大开孔边缘应力的影响，下图1、图2分别为变形后的结果：

由上述变形图显示可见：对不带法兰的接管大开孔结构，在压力作用下，开孔结构产生的变形较大。桑老师的分析原因为：由于接管本身刚性较小，接管被变形成“喇叭状”（见图1），产生较大的变形，接管对开孔的加强作用就小，因此孔边应力较大。当接管带法兰后，由于法兰具有较大的刚性，它的存在，相当于在接管端部设置了一个加强圈，使接管端部的径向扩张（趋喇叭状），受到很大的约束。同时法兰力矩的作用，又进一步减小了接管壁的经向转角，从而较大地约束了开孔边缘的变形，为此，使开孔应力得以降低（见图2）。因而得出结论：接管法兰和法兰力矩不仅不会增大圆筒大开孔边缘的应力，相反起到一种有效的加强作用。但关于法兰力矩的影响，桑老师在论文中只给出了上述两个变形图且没有应力值，此处不妨建议各位朋友自己建一下模型进行对比计算以加强直观感受和深入了解。

接管长度对圆筒大开孔应力的影响？

论文中，桑老师以三种开孔率（ρ≤0.6，0.7，0.8）的大开孔结构并将接管端部分别施加三种约束方式进行了对比计算，计算结果给出了薄膜应力、薄膜应力+弯曲应力的应力变化规律如下图：

上述双重约束指的是：接管端部不仅施加轴向等效压力，同时还施加径向位移和经向转角的双重约束（模拟接管法兰的存在）。由图3~8不难分析出：

（1）三种约束方式下法兰的模型（即只施加轴向力）的情况下，在接管较短时应力值（无论是薄膜应力或是薄膜+弯曲应力）远远大于另外两种约束方式下的值，同时可看出，带法兰模型和双重约束模型计算应力值十分接近，由此可知，法兰对开孔边缘周围壳体确实是起到了很大的加强作用，大大减小了开孔边缘的应力。

（2）随着接管的加长，带法兰模型与其它两种模型之间的应力差值逐渐减小，且当接管增大到一定程度时，三种模型的计算应力值开始趋于一致，计算结果与理论分析一致，法兰所起的加强作用也是有一定长度范围的，当接管过于长时其加强作用就不明显了。

（3）通过上述比较可知，通常有限元模型计算中略去法兰模型，计算的结果是偏保守的，且接管越短，计算结果越保守。

法兰厚度对圆筒大开孔应力的影响？

论文中指出：法兰厚度对圆筒开孔边缘的应力的影响相对较小。由图9显示，当法兰厚度由38mm变化到58mm时，厚度变化率：（58－38）/58＝34%，但孔边应力强度S_Ⅲ只变化（238Mpa－229Mpa）/238Mpa＝3.8%。S_Ⅱ只减少（178－171）/178＝3.9%。可见法兰厚度对开孔边缘应力的影响较小。

桑老师给出的原因是：由于法兰对孔边应力的影响是通过约束接管端部的变形来间接起作用的，而不是直接起加强作用的。对有一定刚性的法兰来说，其对接管端面已有相当的约束作用。改变（加厚）法兰厚度，固然会增大 法兰刚性，但对约束开孔边缘的变形并不是成正比的，故影响并不十分明显，对孔边应力的影响并不显著，可忽略法兰厚度这一因素的作用。

现将论文中最终得出的结论及进一步衍生的结论汇总如下：

（1）接管法兰和法兰力矩对接管和壳体局部部分起一定的加强作用，接管越短加强作用越明显，接管越长则加强作用逐渐变弱。

（2）略去法兰模型的计算结果偏保守，且接管越短计算结果越保守。

（3）双重约束模型与真实法兰模型计算结果十分接近。

（4）法兰厚度影响较小可忽略。

（5）对于开孔率较小的小接管，因其自身刚度就较大，法兰加强作用则显得不明显。

（6）对于开孔率较大的大接管，如若壳体和接管厚度余量很小较薄，在压力作用下本身产生的边缘应力比较大，法兰的存在则会大大降低应力值，加强作用明显；如若壳体和接管厚度余量很大很厚，则其自身的刚度较大，本身开孔边缘应力就较小，加强作用则会减弱。

目前行业内在接管开孔补强计算上的通用做法是不建法兰模型，既节省了建模的麻烦和所需时间，又不需要计算法兰力矩，减少了模型大小、网格数量和载荷施加的麻烦，计算结果又是保守偏于安全的，所以何乐而不为呢？但是论文中指出施加双重约束的时候来模拟法兰模型计算结果十分接近，为什么一直没有成为通用做法呢？现在的通用做法是否违背了分析设计的本质，体现不出节约材料，节约成本的经济性。不知朋友们都是怎么做的？对此有什么看法？不妨一起讨论一下。桑老师是我们行业大师级的专家人物，论文很具有权威性，前人种树后人乘凉，在前辈们兢兢业业孜孜不倦的研究成果上，我辈在学习过程中才会少走很多弯路，向前辈致敬！