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圓柱殼開孔接管是壓力容器中的一種最常見的結(jié)構(gòu)，而大開孔接管在壓力容器設(shè)計中也經(jīng)常遇見。開孔會在殼體上造成局部高應(yīng)力，從而嚴(yán)重影響了殼體的承載能力。有關(guān)該部位的有限元應(yīng)力計算與強(qiáng)度分析國內(nèi)外研究人員做過了大量的工作。
通常對開孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評定常采用一些經(jīng)驗公式來估算接管部位局部應(yīng)力的最大值，然后將最大應(yīng)力值與規(guī)范所規(guī)定的極限值加以比較的方法或采用WRC-2979中推薦的方法，多數(shù)不能滿足開孔率d/D=0.5的平齊接管結(jié)構(gòu)的要求。在一冷凝器設(shè)計中，筒體上設(shè)置有與筒體等直徑的平齊式接管，為驗證設(shè)計的安全可靠，本研究運(yùn)用有限元分析方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，得到了冷凝器接管部位詳盡的應(yīng)力場和最大應(yīng)力發(fā)生部位，并運(yùn)用分析設(shè)計原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評定，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不足，在此基礎(chǔ)上本研究進(jìn)行了多方案的分析，從而提出了較佳的方案，為該設(shè)備的安全設(shè)計提供了依據(jù)。
冷凝器為U形管式，設(shè)計壓力為0.6MPa，水壓試驗壓力為0.75MPa，筒體與接管材料均為304L，材料特性：E=2.0Xe5MPa。冷凝器設(shè)計溫度為250℃，焊縫系數(shù)P=1.0。筒體總長約3.9m，筒體與接管內(nèi)徑均為500mm，壁厚均為6mm，接管為大開孔平齊式結(jié)構(gòu)。對所研究的冷凝器，采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析。筒體與接管垂直相連接，在均勻內(nèi)壓作用下僅有一個對稱面—筒體軸線與接管軸線組成的面(XOY面)，因此計算模型取筒體與接管結(jié)構(gòu)的1/2，又考慮到一端封頭與筒體連接邊緣，距筒體與接管連接的相貫線較近125mm，封頭對接管部位的局部應(yīng)力可能產(chǎn)生影響，故把封頭也計入模型中，而另一端封頭距接管較遠(yuǎn)，分析時只取較長一段筒體，具體模型見圖。位移邊界條件：由于對稱性，在接管與筒體的對稱面-XOY面上施加對稱約束。
另外，在遠(yuǎn)離接管與筒體相貫區(qū)的接管和筒體的橫截面上的中部各施加一個固定約束以防止剛體位移。力邊界條件：在遠(yuǎn)離接管與筒體相貫區(qū)的接管和容器的橫截面上，施加均布載荷，。其中p為內(nèi)壓，do、d為筒體與接管的外徑與內(nèi)徑。本研究計算單元類型采用國際通用的大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS中的Solid45號單元(C8節(jié)點三維實體單元)。考慮到設(shè)備開孔很大和壁厚較薄，為提高分析精度，網(wǎng)格劃分時全部采用映射網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分沿厚度方向上共分三層，沿筒體與接管方向也劃分了較多的層，特別是在筒體與接管連接區(qū)的相貫線附近進(jìn)行了局部的網(wǎng)格細(xì)化。整個計算模型共劃分了43534個單元，共58901個節(jié)點。
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