使用应力分析方法对容器上的长圆形开孔进行可靠性评定

陈庭清

（上海远跃制药机械有限公司，上海201716）

0 引言

条形视镜是化工容器上常用的零部件之一，尤其是在制药装备领域得到广泛应用。在常规设计时，长条形视镜的长径比一般会大于2.0，超出规范中等面积补强方法的计算范围。在ASME规范中，也是推荐在长径比大于2.0时，应增强短半径方向的补强，避免由于扭转力矩产生的过量变形。

在实际的工程应用中，人们往往直接取长半径作为开孔直径进行计算，或者直接使用验证性实验的方法，这些都需要工程技术人员拥有足够的经验判断可能出现的失效问题，而有限元方法作为一种先进的结构分析方法在这方面的应用能使问题变得简单，本文就某一工程的应用为例进行说明。

1 基本模型分析

1.1 容器基本结构参数

容器基本结构如图1所示，容器内的直径为500mm，厚度为3mm，条形视镜的基本尺寸为260mm×80mm，这个开口已不能再使用常规设计方法进行计算。

1.2 工况设计

容器设计压力为0.3MPa，设计温度为143℃，无疲劳工况，由于容器高度较矮且放置于室内，所以不考虑地震与风载的影响。

图1 容器基本结构

1.3 容器使用材料的基本性能

容器的筒体及视镜均使用316L材料，其在设计工况下的基本力学性能如表1所示。

表1 容器使用材料在设计工况下的基本力学性能

2 数值分析步骤

2.1 建立3D模型并进行网格划分

使用通用三维建模软件建立三维模型，在某商业数值分析软件中使用静力学分析模块建立一个项目文件，将前面建立的三维模型导入开始划分网格，由于是对称模型，因此只需要建立模型的1/2即可。

在MESH模块中添加Hexdominate分网方法，再根据需要调整网格的大小，以获取最多的六面体网格数量，最终得到的网格如图2所示。

图2 在MESH模块中的网格

2.2 边界条件及设计载荷的添加

由于是对称模型，在对称面上施加Frictionless support，在筒体一端施加fixedsupport约束，在另一端施加等效的力29438N，再添加压力载荷0.3MPa在筒体内表面及视镜凸缘相应的受力面上，并进行运行分析。

边界条件及载荷情况如图3所示。

2.3 结果的评定

经过一段时间的后台运算，完成后选取Von-misses应力云图进行查看（图4）。

从图4可以发现，最大应力点发生在长半径方向的内侧，再选取变形云图（图5）进行查看，发现在短半径方向则发生了相对长半径方向更大的变形，这与ASME规范中关于长圆形开孔短半径方向应进行补强以防止过量变形的表述一致。

图3 边界条件及载荷情况

图4 Von-misses应力云图

图5 变形云图

选取在应力最大区域内的4条路径来查看线性应力分布情况，并根据JB/T4732—1995（R2005）中的方法进行应力评定，其结果如表2所示。由于不涉及疲劳问题SV肯定能满足要求，故不进行评定。

表2 应力评定结果 单位：MPa

3 结语

在上述案例中可以发现，容器开孔边缘的应力强度水平远远低于许用极限，说明设计的材料厚度是安全的，结果也证实长圆形开孔短半径方向会产生更大的变形，在工程应用中，设计者应根据情况考虑是否采取额外的加强措施。

［1］GB150－2011 压力容器

［2］JB/T4732－1995 钢制压力容器分析设计标准

［3］ASMEBPVCSECTIONⅧ-1Rulesforconstructionof pressurevessel