大开孔接管的极限载荷分析

压力容器分析设计方法包括弹性应力分析、极限载荷分析和弹—塑性应力分析法。而基于弹性应力分析设计方法有：等效线性化方法、两步法、一次结构法、弹性补偿法和GLOSSR-Node法。在分析设计法进入工程设计实践以来，基于弹性应力分析的应力分类法已经被广泛的工程设计人员所使用。基于弹性应力分析，研究者已经做了大量的工作并得出了许多有用的研究成果。Wichman等人于1965年在WRC107公报上发表了在外载荷作用下球壳与圆柱壳的局部应力计算。Mershon等人于1984年在WRC297公报上发表了在外载荷作用下圆柱壳接管局部应力计算，弥补了WRC107公报的不足。欧盟于2002年颁布了EN13445中给出了不同于以上两种方法的局部应力计算方法，该方法对结构的几何尺寸给定了一个很宽的适用范围。薛明德等人对圆柱壳开孔接管应力分析进行了一系列理论研究，并于2013年发布了指导性技术文件CSCBPV-TD001-2013《内压与支管外载作用下圆柱壳开孔应力分析方法》。然而对于如何将线性化的结果得到的薄膜加弯曲应力进一步划分为一次应力或二次应力，一直是国内外工程师关注的热点。如果将二次应力划分为一次应力，这种保守的处理方法有时会导致结构应力评定不合格，进而为了通过应力评定而改变设计结构与设计尺寸，造成经济上的浪费；如果将一次应力误判为二次应力，这样设计的结构有可能会造成灾难性的后果。因此，应力线性化后应力成分的划分成了分析设计中的重要问题。

随着计算机软硬件和数值技术的飞速发展，压力容器分析设计正在从以弹性分析方法向非弹性分析方法方向发展的过程，这也是JB4732标准重点修订的内容。非弹性分析设计方法在美国压力容器规范ASME Ⅷ-2及欧盟标准EN 13445-3中均有讲述。极限载荷分析作为非弹性分析方法的一种得到了越来越多压力容器设计者的青睐。该方法免除了应力线性化与应力分类，操作相对容易。在新版ASME Ⅷ-2规范中引入了“载荷与抗力系数设计”方法，该方法考虑可能出现的各种不确定性设计系数（安全系数）乘到该规范表5.4的载荷上，然后用放大后的载荷对结构进行加载，进行极限载荷分析。陆明万等人介绍并评述了国际上压力容器分析设计的各种塑性分析方法，塑性分析方法计算结果相对精确，是今后压力容器分析设计发展的重点。沈鋆从极限载荷分析法相关的规范、力学原理及软件应用等方面探讨该方法在压力容器分析设计中的应用和注意事项，为工程设计人员提供了有用的参考依据。对于极限载荷分析法在压力容器上的应用，已经做出了大量的研究工作，具有重要的参考价值。‍

案例介绍‍

以直径Φ4000 mm设备上开有72’’接管为研究对象。设计条件见表1，结构尺寸简图如图1所示。根据ASME规范，极限载荷分析法采用von Mises屈服准则，同时采用弹性—理想塑性来建立材料的本构模型，因此设置切向模量为0。极限载荷分析为材料非线性问题，因此，为了保证求解过程的稳定性，对网格划分要求较高。接管N2的设计外载荷如表2所示，且载荷作用在接管的端面上。‍

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有限元建模与边界条件设置

对于承受外载荷的接管，载荷一般不具有对称性，所以在建模型时建出整个接管和筒体。建模时考虑钢板厚度负偏差0.3 mm，考虑计算量的问题，采用Solid185单元增强应变单元技术进行六面体网格划分，结构的三维有限元网格划分如图2所示。

根据ASME Ⅷ-2 表5.4用于极限载荷分析的载荷工况组合和载荷系数，需要考虑的载荷组合如下：

载荷工况组合1：总体准则，1.5（P+P_S+D）

载荷工况组合2：局部准则，1.7（P+P_S+D）

载荷工况组合3：总体和局部准则，max[1.43，1.25(S_T/S)]（P+P_S+D）=1.63（P+P_S+D）

其中：P为规定的设计内压，0.45 MPa；

Ps为由液体或堆积材料引起的静压力，在此为液体引起的静压力为0.028 MPa;

D为容器、介质和所关注位置处附属物的自重，也包括管道等连接设备的重量引起的静反力。对于大开孔结构的局部应力分析，其自重对结构应力强度的影响可忽略，接管N2的管口外载荷可以看作连接设备的重量引起的静反力。

风载荷与地震载荷对局部结构应力分析影响较小，故不予考虑。

载荷的设置可以按照表5.4进行：

求解结果‍

‍按照表5.4载荷工况组合和载荷系数，对每一种工况进行分析求解，若求解结果均收敛，则该结构极限载荷分析通过。图4到图7给出了工况1求解结果。

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结论

极限载荷分析法是对基于弹性应力分析方法的合理补充，有效的弥补了应力线性化与应力分类法中的不足，会在压力容器设计中得到广泛应用。极限载荷分析虽然耗时较长，但更接近真实情况。对于一些大直径的薄壁结构，可以采用壳单元建模，不仅简化了模型，还减少了计算量。弹性应力分类法存在应力成分划分难题，成为分析结果是否可靠的关键难点。同时，弹性应力分类法也没有能够很好地找到与计算机软硬件技术和有限元技术发展的结合点，反而成为有限元应用与分析设计方法结合的瓶颈。