外载荷作用下大开孔接管应力计算精度的影响因素分析

心路历程：对于科技类学术论文的撰写，最主要的是要有写文章的素材，也就是有试验、计算或者模拟结果。大部分人是有了结果，然后构思论文；也有想好论文的标题，再构思每个小标题下的内容，然后有针对性的去做一些试验、计算或者模拟。下面这篇论文的构思属于前者。压力容器壳体结构开孔连接接管，削弱了壳体本身强度，同时也破坏了结构的连续性，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及壳体材质和制造缺陷等因素的综合作用，使壳体与接管连接处往往成为压力容器破坏的原发部位。在工程实际应用中，经常需要对压力容器开孔结构进行有限元分析，如何验证计算模型的正确性，单元选择和积分技术的选择是否合适，网格的划分是否满足计算精度要求，边界条件以及外载荷的施加是否正确，等等，这些因素都是每一个分析设计人员所考虑的。基于以上疑惑，选择了大开孔接管作为分析模型，对其进行了以上因素的研究，并与薛明德教授编制的CSCBPV-TD001-2013《内压与支管外载荷作用下圆柱壳应力分析设计方法》中的薄壳理论求解结果进行了对比，验证了有限元模型的正确性，为以后在外载荷作用下的接管应力分析打下了良好的基础。鉴于此，撰写了此篇论文，以期为工程上接管局部应力分析计算提供一定参考。

外载荷作用下大开孔接管应力计算精度的影响因素分析

摘要：本文以在内压与外载荷作用下的圆柱壳上一大开孔接管为例，基于ANSYS软件中APDL语言建立了其有限元模型，研究了单元类型、单元技术、网格密度、施加外载荷方法等因素对计算的应力与位移影响，同时将其与薄壳理论解进行了对比。计算结果表明，以上4种因素对有限元分析结果影响较大。在网格划分密度较大情况下，优先选择Solid186单元全积分单元技术或Solid185单元增强应变单元技术；外载荷施加应采用RBE3命令。模拟结果可为外载荷作用下接管应力分析提供一定参考依据。

关键词：大开孔接管；应力强度；单元技术；外载荷；有限元

Influence Factors Analysis forCalculation Accuracy of Large Opening Nozzle Stress under External Loads

Abstract:Based on the APDL language of ANSYS software, the finite element mode of cylindricalshell with nozzles was established due to internal pressure and external loads.The influence factors of element type, element technology, mesh density,applying the external loads methods to the calculation stress and displacementwere investigated. The calculation results were in comparison to thetheoretical of thin shell. The calculation results indicated that the abovefour influence factors have significant effect to the finite element analysisresults. Under condition of larger mesh density, the Solid186 element with fullintegration element technology and Solid185 element with enhanced strainelement technology are selected with priority. Applying the external loads tothe nozzle should adopt RBE3 command. The analysis results and methods in thispaper can provide some theory and practical references for the nozzle stressanalysis subjected to external loads.

Keywords: large opening nozzle; stress intensity; element technology;external loads; finite element method

图1 有限元模型

图2 载荷与边界条件

通过对大开孔接管在内压与外载荷作用下的弹性应力分析，得出如下结论：

(1) 全积分单元技术存在剪切自锁与体积自锁，采用Solid185单元时，导致求解的应力偏低，且由于单元边的刚硬位移和应变求解较差；缩减积分单元技术存在沙漏效应，在网格较密的情况下可避免出现此效应。在求解位移与应力时，最好选择Solid186单元缩减积分单元技术或Solid185单元增强应变单元技术，但后者计算量小，能节省计算成本。

(2) 在分析过程中，尽量减少网格形状的扭歪，对重点关注的区域网格要细化；对于Solid186单元沿厚度方向至少要划分3层，对于Solid185单元沿厚度方向至少要划分4层。

(3) Solid186单元与Solid185单元求解的应力相差约25MPa，应力线性化之后结果基本一致，这有可能是由于Solid186单元具有向外插值功能所导致。在进行疲劳分析时采用的是总应力，所以进行疲劳分析时推荐采用Solid186单元，求解结果偏安全。

(4) 通过对比CERIG、RBE3、MPC184单元三种施加集中力与弯矩的方法，得出CERIG与MPC184单元求解的结果一致，整体值偏小，而RBE3求解的结果与理论解基本一致。

(5) 通过对比有限元分析结果与薄壳理论解可得出，在0º与180º方向求解的结果与薄壳理论解基本一致，而在90º或270º求解的一次+二次应力值与薄壳理论解偏差较大，具体原因有待进一步研究。线性化之后危险截面在0º与180º方向，所以此偏差并不影响大开孔接管的安全性。

(6) 在接管上施加外载荷后，最大应力点往往会出现偏移，并未出现在正轴方向。为了确保结构的安全性，在进行应力强度评定时，不仅需要评定应力最大的截面，也需要对纵轴方向接管与壳体连接处进行应力强度评定。

(7) 对于柱壳上大开孔接管在外载荷作用下局部应力的计算，优先选用CSCBPV-TD001-2013方法，该方法同时考虑了内压与外载荷作用，采用薄壳理论精确求解；若结构尺寸超出了此指导性技术文件的范围，可选用有限元法进行求解。

       (8) 文中虽然以大开孔接管在内压与外载荷作用下局部应力分析为例，但研究的影响因素对于其余接管在内压与外载荷作用下的局部应力计算仍有参考价值。