分析压力容器的大开孔

　　但有时由于工程上的特殊要求而需要开大孔时，不得不超出规范的设计要求。针对一个大开孔薄壁压力容器的应力集中问题进行了有限元分析，对原来的长方形开孔进行了形状改进及局部补强，比较了不同情况下局部应力集中峰值（peak）及其分布的改善程度，最后提出了对原设计方案的改进措施。结构模型及数据（data)所示，压力容器主体部分为一个圆柱壳体加上两个标准椭球封头。在两个椭球封头上分别开长方形孔，并接长方形门框，四角用圆弧过渡。在容器内侧，长门框四周焊有块肘板与封头固定(fixed)。容器受均匀内压。　　

　　《工程(Engineering)力学》压力容器外形图表压力容器原设计尺寸圆柱筒体外直径壁厚椭球封头外直径壁厚长门框内侧长宽内侧圆角半径壁厚深度所有结构有限元分析采用壳单元。结构材料为普通钢，强度校核时取许用应力为。压力容器有限元网格图内部肘板有限元网格改变开孔形状对应力集中的改善经过有限元法计算，压力容器在长门框与封头相交的四个圆角处产生应力集中，最大等效应力达到，大大超过了材料的许用应力。在考虑（consider)原设计要求的前提下，对长方形开孔提出了两种改进方案开孔的两端改为标准椭圆形(由圆形变成的长圆形)。开孔的两端改为半圆形。《工程力学》增刊，对于两端为椭圆形的开孔，最大等效应力为243MPa，位于椭圆与直线相连接附近，说明在这种情况下，应力集中问题变得更为严重。对于两端为半圆形的开孔，即长圆形开孔，最大等效应力为185MPa，位于半圆的顶端。相对于原长方形开孔，最大等效应力下降了20%，应力集中得到很大改善。由此可以看出，在凸形封头或球壳上，开孔的应力集中位置（position )主要处于曲率半径很小的弧线附近，且曲率半径越小，应力峰值越大。局部补强对应力集中的改善虽然当开孔两端改为半圆形时，应力集中问题得到很大改善，但应力峰值并未降到许用应力以下，所以对于大开孔问题，仅凭改变开孔形状是远远不够的。　　

　　只对封头部分补强由于这是一个超规范设计，所以无法根据规范要求确定补强板的宽度和厚度。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛，它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。为了分析应力的改善程度，分别计算了补强板宽度为10l

　　N、20Inm，厚度从Slnln到50Inln多种情况(Condition)。压力容器并对每个类别的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度，未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛，它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。补强板宽度为100m时的计算结果.局部补强后，长方形开孔和长圆形开孔的应力峰值变化对比.局部补强对长方形开孔应力集中的改善程度要比长圆形开孔的效果大得多。应力峰值随着补强板厚度的增加而减小，但达到一定厚度以后，影响越来越小。而且这时应力集中位置己从封头转移到与之相连的门框上。因此，只补强封头也是达不到要求的。当补强板宽度增加到200mm或将开孔四周全部补强后，计算结果非常接近，说明大范围补强是毫无意义的.即两种改进方案都能达到强度（strength)要求。总之，在局部区域内进行适当补强，应力集中就能得到很大改善，进一步扩大补强范围和增加补强板厚度则毫无意义。虽然长方形开孔的应力集中较为严重，但局部补强后，应力峰值下降也较快，而对于长圆形开孔，补强效果则不如长方形开孔明显。在同等补强的情况下，长方形和长圆形开孔的应力集中峰值可以降到同等水平。如果不考虑其它因素的影响，本文认为改进后的两种设计方案均可采用。