内压作用下圆柱壳开孔接管设计方法(薛明德)

圆柱壳开孔接管补强结构有限元分析龚宝龙;杨雪华;徐兴华【摘要】基于有限元法，运用ANSYS软件对圆柱壳体开孔接管补强结构进行分析，获得其应力分布规律。

在应力分析的基础上，运用线性处理法对危险部位进行应力分类和强度评定，并确定了该圆柱壳的极限承载能力。

沿着评定路径获得应力集中系数分布规律及其最大值，并与ASME 锅炉及压力容器规范中的经验公式进行对比，验证了数值模拟结果的可靠性。

%Based on the finite element method, the opening reinforcement structure of cylindrical shell with nozzle was analyzed by ANSYS software. The stress distribution rule was obtained. On the basis of stress analysis, carried out stress classification and strength assessment in dangerous parts by using the linear processing method, then determined the ultimate bearing capacity of the cylindrical shell. The stress concentration coefficient distribution rule and maximum value was calculated along the evaluation path, and compared them with the empirical formula of ASME BPVC, verified the reliability of the numerical simulation results.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】5页(P39-43)【关键词】圆柱壳;开孔补强;有限元分析;应力集中系数;压力容器【作者】龚宝龙;杨雪华;徐兴华【作者单位】中核苏阀科技实业股份有限公司;中核苏阀科技实业股份有限公司;中核苏阀科技实业股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ050.30 引言在石油、能源、核工业等行业中，广泛存在着圆柱壳形压力容器，由于工艺或结构上的需要，壳体上经常需要进行开孔并与接管进行焊接。

压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。

通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。

1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。

针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。

为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。

2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法2.1压力面积法通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。

开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。

综合其安全系数以及实践经验系统分析。

此种方式对于开孔边缘的应力强度进行分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。

通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。

综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。

补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。

在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。

2.2分析法分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。

主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。

分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。

此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。

圆柱壳开孔接管区不连续应力分析摘要：由于化工行业工艺流程的要求，要在压力容器主要承压部位开孔并接管，会产生不连续效应，进而影响开孔接管区应力分布。

笔者采用有限元分析方法，采用ANSYS软件对内伸式开孔接管进行受力分析，从而得出开孔接管区不连续应力的分布规律，对压力容器设计和选型起一定的参考价值。

Abstract：Due to the requirement of technological process of chemical industry，it is needed to open and take over the main pressure part of the pressure vessel，which will produce a discontinuous effect and thereby affect the stress distribution of the nozzle area. The author，by means of finite element analysis，uses ANSYS software to take a force analysis of extension type nozzle，and then obtains the distribution law of discontinuous stress in the nozzle area，which plays a certain reference value to the pressure vessel design and selection.关键词：压力容器；开孔接管；ANSYSKey words：pressure vessel；open hole nozzle；ANSYS中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）13-0154-020 引言压力容器分为内压容器和外压容器，作为一种极其重要的承压设备，在化工行业、医药卫生行业、航天航空行业、核电行业等发挥着越来越重要的作用。

基于压力-面积应力计算的开孔补强方法沈 鋆*(惠生工程(中国)有限公司)摘 要 介绍了基于压力-面积应力计算的开孔补强方法(简称压力-面积应力法)的基本原理、适用范围、计算步骤,并基于该方法编制了工程应用软件。

同时使用该软件,进行了几种工程计算方法的对比,进一步说明了该方法与传统方法的区别。

关键词 压力容器 开孔补强 压力-面积应力计算中图分类号 TQ051 3 文献标识码 A 文章编号 0254 6094(2011)02 0186 04开孔补强是压力容器设计中的重要组成部分,关系到设备的安全运行。

目前工程中常用的计算方法有很多。

等面积补强法[1,2]的理论基础是无限大平板上小孔周边的应力分布关系[3]。

压力容器开孔的实际情况与这种应力分布关系存在差异,所以文献[2]中对直径不超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/2;超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/3。

等面积补强法有效范围的取值仅与开孔直径d有关,所以对d/D i(壳体内直径)较小的开孔,该方法安全、可靠且偏保守,对d/D i较大的开孔,该方法偏冒进。

压力面积法[4,5]在本质上与等面积法是一致的,其开孔率限制在0.8。

该方法补强有效范围的取值仅与边缘应力衰减长度有关,对d/D i较小的开孔,该法偏冒进;对d/D i较大的开孔,该法偏保守;对大开孔,该法一般用于低压容器。

上述两种方法都认为补强范围内应力是均匀分布的,事实上孔边应力具有局部性和衰减性,并非均匀分布。

1 压力-面积应力法简介压力-面积应力法既不同于等面积法,又不同于压力面积法。

该方法在补强有效范围的取值上考虑较全面,既考虑了开孔大小的影响,又考虑了边缘应力衰减长度的影响。

在此范围内,计算压力对各承压面积所引起的作用力,并进一步计算所引起的最大局部一次薄膜应力是否满足补强要求的评定条件[6],是一种基于应力分析的计算方法。

由理论基础可知,对一般开孔而言,其设计结果相比两种传统方法更为合理。

内压作用下圆柱壳开孔接管分析设计方法圆柱壳是一种常见的结构，广泛用于各种工程中。

当圆柱壳在使用过程中承受内压时，设计师需要考虑开孔接管的分析与设计方法，以确保结构的稳定性和安全性。

在分析和设计开孔接管时，设计师需要考虑以下几个主要因素：1. 内压载荷：内压是指圆柱壳内部的压力载荷，通常是由液体或气体提供的。

设计师需要确定内压的大小和分布，以评估开孔接管所承受的力学载荷。

2. 开孔位置：设计师需要确定开孔的位置。

一般来说，开孔接管位于圆柱壳的侧面，但具体的位置需要根据实际情况来确定。

开孔的位置和数量将影响开孔接管的受力状况和结构的稳定性。

3. 开孔形状：开孔形状也是设计师需要考虑的因素之一。

常见的开孔形状包括圆孔、方孔、椭圆孔等。

开孔的形状将对开孔接管的应力分布和刚度产生影响。

4. 接管材料：选择合适的接管材料对于确保结构的稳定性和安全性至关重要。

材料的选择应考虑其强度、刚度、耐腐蚀性等因素。

在设计过程中，设计师可以采用以下方法来进行开孔接管的分析和设计：1. 统一板壳理论：根据统一板壳理论，设计师可以分析开孔接管的受力状况，计算其承载能力。

统一板壳理论主要考虑了面板的纵向、挠度和切向应力。

2. 有限元分析：有限元分析是一种常用的工程计算方法。

设计师可以使用有限元软件对开孔接管进行建模，并模拟施加内压载荷的情况。

通过有限元分析，可以得到开孔接管的应力分布、变形情况等。

3. 经验公式和规范：设计师可以参考相关的经验公式和规范，如国际壳体结构设计规范、国内壳体结构设计规范等。

这些规范提供了一些设计方法和公式，可用于评估开孔接管的承载能力。

总之，设计师在进行内压作用下圆柱壳开孔接管的分析和设计时，需要综合考虑内压载荷、开孔位置和形状、接管材料等因素。

采用统一板壳理论、有限元分析以及参考相关经验公式和规范等方法，可以对开孔接管的受力状况进行评估和设计，确保结构的稳定性和安全性。

在进行内压作用下圆柱壳开孔接管的分析和设计时，设计师还需考虑以下几个重要因素：5. 开孔尺寸：开孔尺寸包括开孔的直径或边长。

内压作用下圆柱壳开孔接管分析设计方法清华大学工程力学系薛明德2007年10月1内压作用下圆柱壳开孔接管分析设计方法一概述1.1现有的常规设计方法1.2我国JB4732分析设计方法的适用范围1.3 各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究1.4 理论解的困难二我国JB4732分析设计方法的理论基础2.1 基本参数与坐标 2.2 交贯线的几何描述2.3 采用修正的Morley方程代替扁壳方程2.4 采用精确的连续条件 2.5解复杂的偏微分方程的边值问题三理论解可靠性的验证四我国规范JB4732中圆柱壳开孔接管的分析设计方法4.1 适用范围 4.2设计准则4.3 计算步骤 4.4 设计方法五JB 4732与PD 5500比较美：20世纪50年代起至今PVRC 有一个委员会组织研究工作。

成果表现为WRC Bulletin 107,297, (支管受推力，弯矩),133,368 (内压), …上世纪80年代以前，理论解（Eringen, Steele)，实验（ORNL ）。

80年代后，有限元解（Widera ）试图寻求经验公式求内压下的应力集中系数英：理论解(以早期的球壳解代替圆柱壳,内压工况)，用于PD5500容器开孔。

实验，有限元解（Moffat ）。

其成果表现为英国管道标准BS806(内压，支管、主壳各受3种力矩)。

这是一个在工程上重要而在力学、数学上困难的问题一概述3 各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究在黄克智先生的开创与指导下，在清华大学与全国压力容器标准化技术委员会的支持下，上世纪80年代至今，清华大学圆柱壳开孔接管课题组先后共有6位博士生参加，发表13篇文章圆柱壳开孔接管薄壳理论解及其相应的设计方法－(1)包含内压与6 种支管外载荷的统一的设计方法(2)适用范围扩大至：ρ≤0.9 λ= d/(DT)1/2 ≤121995：关于内压作用下的分析设计方法－JB4732-95 附录J ρ≤0.7，λ= d/(DT)1/2 ≤51997：关于内压作用下的分析设计方法获ASME PVPD颁发J. ofPres. Ves. Tech. 1996年杰出论文奖。

对GB 151-1999中管壳式换热器管板计算方法的修改说明薛明德;黄克智;李世玉;朱国栋;徐锋;吴坚【摘要】对正在修订的GB 151-1999版中5.7节“管板计算”一节的主要修订内容进行了介绍.其中包括:改进了带膨胀节的固定式换热器管板计算方法,改进了固定管板中最大应力的计算方法,增加了壳程分段圆筒的计算方法,增加了管程压力pt与壳程压力ps同时作用的两种校核工况,换热管许用压缩应力的安全系数降低为1.5.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2014(051)001【总页数】7页(P1-7)【关键词】管壳式换热器;固定管板;设计规范;应力分析【作者】薛明德;黄克智;李世玉;朱国栋;徐锋;吴坚【作者单位】清华大学工程力学系,北京100084;清华大学工程力学系,北京100084;中国石化工程建设公司,北京100101;中国特种设备检测研究院,北京100013;中国特种设备检测研究院,北京100013;清华大学工程力学系,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH121自GB 151—1999《管壳式换热器》[1]颁布以来，根据各有关工业部门的实践经验和清华大学等单位的研究，对GB 151—1999版中5.7节“管板计算”的部分内容正在进行修订或补充。

修订包含了以下主要内容：——对于固定管板式换热器：（1）改进了带膨胀节的固定式换热器管板计算方法，考虑了膨胀节内部由壳程压力引起的壳体轴向变形产生的影响。

（2）改进了管板中最大应力的计算方法，调整了其适用参数范围。

（3）增加了壳程分段圆筒的计算方法。

（4）增加了管程压力pt与壳程压力ps同时作用的两种校核工况。

——对于固定管板式、浮头式和填函式换热器：（5）降低了换热管许用压缩应力的安全系数。

（6）以计算公式替代了 C'、C''、ω'、ω''曲线图。

——对于填函式换热器：（7）明确了填函式换热器的计算方法仅适用于P型后端结构形式。

基于C#与ANSYS接口圆柱壳接管应力分析软件开发赵国普;陆怡【摘要】压力容器在化工、制药、食品等众多行业广泛使用,在实际应用中压力容器受到如地震、风载、震动等多种管系载荷作用,从而发生灾害性事故.为了保证压力容器的安全,需要对圆柱壳接管进行局部应力分析.针对此类问题,采用C#结合ANSYS的参数化设计语言(APDL),对ANSYS进行二次开发,开发出多种管系载荷作用下圆柱壳接管局部应力分析软件,功能完善、界面友好.结果表明:用户能够快速准确地实现对在多种管系载荷作用下圆柱壳接管的局部应力分析,将局部应力分析的时间缩短为不到3min,提高了工程应用效率,降低了成本,并为工程应用中复杂的局部应力分析问题提供了新的思路.【期刊名称】《常州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(025)002【总页数】5页(P77-81)【关键词】有限元;ANSYS的参数化设计语言;圆柱壳;接管【作者】赵国普;陆怡【作者单位】常州大学机械工程学院,江苏常州213164;常州大学机械工程学院,江苏常州213164【正文语种】中文【中图分类】TP3C#是微软公司出版且由C、C、JAVA衍生出来的新一代面向对象的高级程序设计语言，由于C#面向对象的卓越设计，使它成为高级商务软件以及系统应用软件的理想之选,与VB、C、C相比，程序设计者可以高效的开发程序，且具有较高的容错机制以及安全机制，更重要的是，C#设计语言可以方便的转化为XML(可扩展标记语言)，从而使程序可以更容易与Windows,Mac OS,Linux以及其它平台相结合，具有较好的可移植性。

本文利用C#开发圆柱壳接管应力分析软件，具有其先进性、实用性、可移植和可扩展性。

为满足工艺要求，在工程应用中压力容器通常需要通过开孔接管输送介质，在实际运用中，管系在地震、风载、振动、自重、水击以及在热膨胀(或冷缩)受到设备约束的情况下，会使接管处的器壁受到推力、剪力、力矩等外载荷的作用，在内压和外载荷作用下，接管与圆柱壳连接区域会产生很高的应力集中，成为灾害性事故的原发部位。

基于ASME Ⅷ-2对圆柱壳大开孔接管的弹-塑性有限元分析徐君臣【摘要】以在内压与外载荷作用下的圆柱壳上一大开孔接管为例,基于ANSYS软件中APDL语言建立了有限元模型,基于载荷与抗力系数设计方法,采用ASMEⅧ-2中的弹-塑性局部应变极限准则在不同载荷工况组合和载荷系数下进行了应变校核.只要所有单元的成形应变与总的当量塑性应变之和小于或等于三轴应变极限,则结构处于安全.同时也对该结构进行了弹性应力分析,并与弹-塑性分析方法进行了对比.计算结果表明弹-塑性应力分析相对于弹性应力分析节省了约22％的材料,但前者方法更加耗时,对计算机要求也较高,设计者需根据材料成本和设计成本综合考虑来选择设计方法.模拟结果可为外载荷作用下圆柱壳接管的有限元设计提供一定参考依据.%Exampled with the structure of large opening and nozzle on cylindrical shell subjected to internal and external pressure,the correspondent models were established by using APDL in ANSYS.Based on the method with load and resistant factors and elasticplastic local strain limit criterion in ASME Ⅷ-2,the strains under different load combination conditions were checked.As the sum of strain in formation and total equivalent plastic strain is not greater than the triaxial strain limit,the structure is safe.Elastic stress analysis was also carried out,and the results were then compared with that from elastic-plastic analysis.It was shown that compared with elastic analysis,22％ materials can be saved if elastic-plastic analysis was performed.However the latter may be more timeconsuming and hardware-requiring.Designer should select analysis method according to comprehensive factors in material andconvenience.What presented herein may be referenced in finite element analysis for the nozzle subjected to external loads and connected with cylindrical shell.【期刊名称】《化工设备与管道》【年(卷),期】2017(054)006【总页数】8页(P6-13)【关键词】大开孔接管;弹性分析;弹-塑性分析;外载荷;三轴应变极限【作者】徐君臣【作者单位】惠生工程(中国)有限公司,上海201210【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2;TH123对于在外载荷作用下接管的设计，研究者已经做了大量的工作并得出了许多有用的研究成果。

圆柱壳开孔补强的接触应力分析魏化中1，2，黄柯2，舒安庆1，2【摘要】摘要：在压力容器开孔补强的薄壳理论分析中，通常假设在补强圈与容器壳体之间没有接触，接触应力对于结构应力分布的意义和影响尚不清楚。

应用ANSYS软件对内压作用下补强圈与壳体间接触行为进行有限元分析。

考察了接触变形和接触压力，探讨了补强圈与壳体间隙变化、刚度因子以及不同直径的接管对接触行为的影响。

相对于开孔补强的薄壳理论，文中更好地预测了补强圈与容器壳体间的应力场分布，得到了一些有参考价值的结论。

【期刊名称】管道技术与设备【年(卷),期】2009(000)006【总页数】3【关键词】开孔补强；有限元；接触；间隙0 引言圆柱壳开孔补强广泛应用于石油化工、电力等各个领域。

开孔后，由于容器壁被削弱且结构的连续性遭到破坏，在壳体和接管的连接处产生很高的局部应力，该区域最薄弱，最易发生失效。

因此，采用有效的补强措施来降低接管区的应力集中，从而提高整个容器的承载能力就具有重要的工程应用价值。

多年来，在压力容器的应力分析中，一直沿用经典的薄壳理论对开孔补强结构进行分析设计。

但这样的求解过程无法预测焊接区的应力以及补强圈与壳体间接触行为[1]。

有限元技术的发展，解决了上述问题。

应用ANSYS软件对补强圈与容器壳体间的接触行为进行模拟并分析接触压力的变化规律，从而为工程优化提供依据。

1 有限元模型的建立1.1 模型结构及尺寸补强圈按工程上常用的尺寸，即外径近似为接管直径的两倍。

有限元计算模型规格如下：筒体内径500 mm；接管长度150 mm；筒体长度350 mm；接管壁厚6 mm；筒体壁厚6 mm；补强圈外径250 mm；接管内径125 mm；内压5 MPa．1.2 有限元模型由于只考虑内压作用下的应力状况，因此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。

采用三维实体建模，采用8节点的SOLID45单元来模拟实体结构，用面-面三维接触单元TARGET170和CONTACT173来模拟其接触行为[2]。

第 54 卷第 4 期2017 年 8 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 54　No. 4Aug. 2017·压力容器·基于ASME Ⅷ-2 大开孔接管的极限载荷分析徐君臣，张文杰（惠生工程（中国）有限公司，上海 201210）摘 要：以在内压与外载荷同时作用下的圆柱壳大开孔接管为例，基于ANSYS 软件中APDL 语言建立了其有限元模型，采用了ASME Ⅷ-2中非弹性分析方法中的极限载荷分析法，对其在不同载荷工况组合和载荷系数下进行了有限元分析，并基于载荷与抗力系数设计方法进行了安全性评定。

计算结果表明结构在所有载荷组合工况下均达到收敛，则结构处于稳定。

同时也对该结构进行了弹性应力分析和局部失效评定，并与极限载荷分析方法进行了对比。

计算结果表明极限载荷分析相对于弹性应力分析节省了约12.2%的材料，但前者方法更加耗时，对计算机要求也较高，设计者需根据材料成本和设计成本综合考虑来选择设计方法。

以期为广大工程技术人员进行此类大开孔接管的设计提供有益参考。

关键词：大开孔接管；弹性应力分析；极限载荷分析；弹性-理想塑性；局部失效中图分类号：TQ 050.2；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2017）04-001-007收稿日期：2017-03-03基金项目：惠生工程创新基金（2017565732）。

作者简介： 徐君臣（1987—），男，湖北荆门人，硕士研究生，工程师，主要从事压力容器设计及有限元分析等工作。

压力容器分析设计方法包括弹性应力分析、极限载荷分析和弹-塑性应力分析法。

而基于弹性应力分析设计方法有：等效线性化方法、两步法、一次结构法、弹性补偿法和GLOSSR-Node 法 [1]。

在分析设计法进入工程设计实践以来，基于弹性应力分析的应力分类法已经被工程设计人员广泛使用。

基于弹性应力分析，研究者已经做了大量的工作并得出了许多有用的研究成果。