温度场作用下有初始间隙的补强圈接触特性和应力分析

(惠生工程(中国)有限公司，上海 201210)

0 引言

压力容器壳体上开孔接管的存在，一方面削弱了壳体本身的承载能力；另一方面在接管与壳体连接处因结构不连续性产生较大的附加局部高应力，极大地削减了此区域的强度而成为最薄弱的环节[1-5]。补强圈作为一种经济有效的补强措施得到广泛应用，可用来降低容器局部薄弱区域的高应力，进而提高容器的整体强度和承载能力。多年来，压力容器应力分析一直沿用经典的薄壳理论，在对开孔补强区域进行分析和设计时，将其分为壳体、接管和补强圈三部分，并通过在连接处建立变形协调及力的平衡方程求解此处的位移和应力，但前提是假设补强圈与壳体之间没有相对位移和转动；也未考虑相互间存在的接触行为[6]。然而在补强圈的实际制造和安装过程中不可避免会存在一定的间隙，载荷作用下的补强圈与壳体间会存在一定的相对位移和转动，进而导致与时间历程相关的接触位置和接触压力的变化，同时温度场的存在会使得总体或局部不连续区产生较大的温差应力和峰值应力，这必然会对开孔接管区及焊缝区的总应力分布产生一定的影响[7]。本文基于有限元法，采用特殊接触单元模拟补强圈与壳体之间的接触行为，对有初始间隙的补强圈结构在内压及与温度场耦合作用下的接触特性(接触压力和接触位置)和总应力变化规律进行分析，以期能够为工程实际提供一定的理论参考和设计依据[8]。……