摘要：利用ANSYS软件对超过常规设计范围的压力容器中长圆形开孔补强进行有限元应力分析，计算得出开孔边缘的应力值，利用第三强度理论进行分析，通过JB4732—1995标准判定模型结构安全。
关键词：压力容器；长圆形开孔补强；有限元应力分析法；第三强度理论
化工、医药、实验环境中的设备，有时必须在圆筒形壳体上设置长圆形视镜孔，对于此类开孔问题的补强计算大多已经超出了GB/T150中“当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0”的要求，对于此类长短径比超标的的开孔结构，其长径端局部应力水平较高，应力集中系数可能达到4，因此不能采用GB/T150中等面积补强法计算，可以采用应力分析法。本文基于ANSYS软件建立整体设备结构模型，针对具体的设计工况对视镜孔局部结构进行应力分析和强度判定。
1计算条件
本实验模型包含4个视镜孔、2个冷却夹套、部分接管，以及相关的温度、压力检测仪表。其中模型内筒直径600mm，壁厚为38mm，材料为S30408，长度1500mm。其模型见图1．
1.1计算工况说明
内筒体中为2.7MPa的水、水蒸气、空气混合物，设计温度为250℃。由于重点考察视镜孔与筒体连接部分（开孔最大地方，且应力最集中地方）应力是否满足强度要求，且设备筒壁上其他接管开孔补强可用常规方法计算，因此忽略其他接管对强度的影响。
1.2主要材料特性参数
材料采用S30408，其力学性能参数见表1．
2视镜孔应力计算
视镜孔的结构简图如图2所示，厚度130mm。
2.1有限元模型
视镜安装在筒体上，因几何对称，所以1/4圆周结构建立模型。图3为筒体与长视镜分析用实体模型图。
2.2网格划分
对模型采用体扫掠网络划分，网络模型划分结构：单元数21426，节点数38359，图4为网络模型。
2.3施加边界条件
位移边界条件的施加：通过模型中心的纵向截面施加对称边界条件约束；筒体一端截面施加轴向位移约束。载荷施加：筒体和视镜内表面施加内压2.7MPa，筒体另一端截面施加等效拉应力，圆形视镜接管横截面施加等效拉应力，长视镜和盖板的螺栓连接处施加等效应力。施加边界条件后模型如图5所示。
3应力分析
对模型进行有限元求解，求解后得到模型应力强度分布云图如图6所示。由应力强度分布云图可以看出，应力强度最大值为439.3MPa。由图7可以清楚看到最大应力位于长视镜孔两端圆弧处，内外壁应力最大值出现部位都在内筒与长视镜连接部分是因为结构不连续作用造成。对应力强度较大位置处进行线性化处理，沿路径PATH1PATH2、PATH3、PATH4、PATH5和PATH6应力强度线性化处理结果见表2。以上的应力强度分析表明，该模型能满足GB/T150—2011《压力容器》所规定应力强度要求，路径按JB4732—95《钢制压力容器——设计标准》评定，且合格。
4结论
1）利用ANSYS软件建立压力容器开孔模型有限元模型，利用第三强度理论进行分析，由JB4732—1995设计标准给出判定。计算结果表明，在常规设计方法无法进行计算且无工程经验数据的.情况下，应力分析法能准确计算壳体开孔边缘的应力值，确保模型结构在设计条件下安全稳定运行并为后期模型的优化设计奠定了基础。2）由于特殊结构的应力集中无规律性，其设计参数远超常规设计值，因此在具体的工程设计当中应将超标的长圆形开孔取较大的安全裕量和安全系数。
参考文献
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