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大尺度矩形开孔钢梁受力性能及设计方法研究的开题报告一、研究背景随着建筑结构的大型化及多样化，大尺度矩形开孔钢梁的应用日趋广泛。
这种结构形式具有一定的美学效果，同时能够提高建筑结构的空间利用率。
然而，由于矩形开孔的存在，其受力性能与传统的实心钢梁存在一定的差异，需要对其受力性能进行研究和设计。
二、研究内容1.大尺度矩形开孔钢梁的受力性能分析：通过对大尺度矩形开孔钢梁的应力分析，探究矩形开孔对钢梁刚度和承载能力的影响。
2.大尺度矩形开孔钢梁的设计方法研究：根据上述分析结果，提出适合大尺度矩形开孔钢梁设计的方法，包括受力性能参数的确定、钢梁截面的设计等。
3.大尺度矩形开孔钢梁的实验研究：通过实验对设计方法的验证和对矩形开孔钢梁的性能进行进一步研究。
三、研究意义大尺度矩形开孔钢梁的研究具有重要的理论和实际意义。
一方面，该研究可以深入了解大尺度矩形开孔钢梁的力学性能和刚度特点，为其应用提供理论基础和技术支持；另一方面，该研究可以推进钢结构设计的发展，丰富了钢结构的设计方法，提高了钢结构的使用效益。
四、研究方法本研究将采用理论分析和实验相结合的方法，首先通过理论计算矩形开孔钢梁的受力性能，然后利用有限元软件对其进行仿真计算，最后进行实验验证。
在设计方法研究方面，本研究将采用优化设计的思想，通过不断修改和优化，提出适合大尺度矩形开孔钢梁的设计方法和约束条件。
五、研究计划第一年：对大尺度矩形开孔钢梁的受力性能进行分析和计算，提出初步的设计方案。
第二年：优化设计方案，通过有限元软件模拟分析和实验验证，进一步验证设计方案的有效性。
第三年：根据前期研究成果，完善设计方法，编写成果报告和论文，开展技术交流活动。
六、预期成果1.获得大尺度矩形开孔钢梁的受力性能数据和其对钢梁承载能力的影响规律。
2.提出适合大尺度矩形开孔钢梁设计的方法和设计要求，为工程实际应用提供支持和指导。
3.完成论文和成果报告，具有学术和实用价值，对钢结构领域的发展和应用具有重要意义。
开孔补强设计在常规压力容器制造中的应用【摘要】在压力容器上开孔，将会使压力容器的承压能力降低，在其设计工艺条件下会产生危险，因此压力容器开孔后需进行补强，本文介绍了压力容易开孔补强的两种方法和应注意的问题，并针对实例进行了计算演示。
【关键词】压力容器补强开孔随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
开孔补强设计是压力容器设计中必不可少的一部分，标准和规范中虽然对设计和计算都作了较为详细的规定，但安全、经济、合理的设计仍是摆在我们面前的一个课题。
一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。
按照gb150.1～gb150.4-2011《压力容器》规定，在压力容器的设计过程中，应采用适当的开孔补强设计。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
1 开孔补强方法的选择1.1 压力面积法压力面积是西德ad规范中采用的开孔补强方法，其开孔率可达0.8，较等面积法为大。
当开孔率超出等面积法适用范围时，常采用该法进行补强：压力面积法的意义如下。
式中，ap—为补强有效范围内的压力作用面积；aσ—为补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积；p—设计压力；[σ]—材料许用应力公式（1）是以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡。
由式（1）的变形得出式（式2）：式中左端项即压力在壳体受压面积上形成的载荷。
式中右端项为材料所具有的承载能力材料的承载能力，应大于压力引起的载荷，所以使用不等号相联接。
1.2 等面积补强法等面积法是以拉伸的开孔大平板为计算模型的。
但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力，故该方法不能相适应。
等面积法是壳体截面因开孔被削弱的承载面积，需有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的承载面积a乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即a·[σ]t，由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，补强面积等于削弱的面积，故称等面积法。
平板开孔及矩形容器应力和结构的分析研究的开题报告1.研究背景和意义：平板开孔及矩形容器是工程中常见的结构形式，平板开孔在船舶、飞机、汽车等大型工程中应用广泛。
而矩形容器是一种常用的贮存和输送物料的容器，在化工、食品、医药等工业领域得到广泛应用。
然而，这些结构在使用过程中常常受到各种力的作用而产生应力和变形，可能导致结构失效。
因此，对平板开孔和矩形容器的应力和结构分析研究具有重要的理论和实际意义。
2.研究目标：本研究旨在通过理论模型建立和计算分析，研究平板开孔和矩形容器的应力和结构性能，深入了解平板开孔和矩形容器的受力变形情况，为实际工程应用提供理论支持和技术指导。
3.研究内容：（1）平板开孔的受力分析通过对平板开孔的应力分析，研究孔周围的应力分布、应力集中系数等关键参数，为工程应用提供理论参考。
（2）平板开孔的变形分析通过对平板开孔的变形分析，研究孔周围的变形分布、变形量等关键参数，为工程应用提供实际指导。
（3）矩形容器的应力分析通过对矩形容器的应力分析，研究容器壁面的应力分布、应力集中系数等关键参数，为工程应用提供理论参考。
（4）矩形容器的变形分析通过对矩形容器的变形分析，研究容器壁面的变形分布、变形量等关键参数，为工程应用提供实际指导。
4.研究方法：本研究采用有限元方法对平板开孔和矩形容器进行数值模拟研究。
在此基础上，结合理论计算和实验验证，探究平板开孔和矩形容器的应力和变形特性。
5.预期成果：本研究期望得到以下成果：（1）建立平板开孔和矩形容器的理论模型和数值模拟方法；（2）分析平板开孔和矩形容器的应力和变形特性，深入研究其受力机理；（3）提出针对平板开孔和矩形容器结构的优化设计方法；（4）为实际工程提供理论参考和实际指导。
球壳大开孔平齐接管补强设计方法评价在工业设计中，球壳大开孔平齐接管补强设计是一项常见且具有挑战性的任务。
这种设计方法既要满足结构的强度和刚度要求，又要考虑到实际加工和安装的便利性。
本文将对球壳大开孔平齐接管补强设计方法进行评价，分析其优缺点，以期为相关设计人员提供参考。
一、球壳大开孔平齐接管补强设计概述球壳大开孔平齐接管补强设计是指在球壳上开设一个较大的孔，并将接管与球壳的孔口平齐连接，从而实现流体的传输。
由于大开孔会对球壳的强度和刚度产生较大影响，因此需要对孔口进行补强设计。
二、球壳大开孔平齐接管补强设计方法1.增加接管厚度法：通过增加接管的厚度，提高其承载能力，从而对球壳进行补强。
2.增设加强圈法：在球壳内部增设加强圈，以增加球壳的刚度，减小大开孔对球壳强度的影响。
3.优化开孔形状法：优化开孔形状，如采用椭圆形、三角形等，以减小孔口应力集中，提高球壳的强度。
4.采用高强度材料法：选用高强度材料制作球壳和接管，提高整体结构的承载能力。
5.焊接补强法：在球壳和接管连接处采用焊接补强，增加连接处的强度。
三、球壳大开孔平齐接管补强设计方法评价1.增加接管厚度法：优点：设计简单，易于实施。
缺点：增加接管厚度会增大流体的阻力，影响流体传输效率；同时，增加厚度可能导致接管与球壳连接处的应力集中。
2.增设加强圈法：优点：提高球壳的刚度，减小大开孔对球壳强度的影响。
缺点：增加加工难度，提高制造成本；同时，加强圈可能影响流体的流动。
3.优化开孔形状法：优点：减小孔口应力集中，提高球壳强度。
缺点：设计复杂，加工难度较高。
4.采用高强度材料法：优点：提高整体结构的承载能力，减小球壳厚度，降低制造成本。
缺点：高强度材料成本较高，可能导致制造成本上升。
5.焊接补强法：优点：提高连接处的强度，确保结构安全。
缺点：焊接过程可能影响球壳和接管的材料性能，导致结构疲劳寿命降低。
四、总结球壳大开孔平齐接管补强设计方法多种多样，各有优缺点。
大开孔补强的参数化分析设计李秉安;张晨;董爱华;卢日时【摘要】利用ANSYS的APDL语言对圆筒体中大开孔及其补强进行参数化分析设计,规范了有限元分析的过程,并使不具备有限元使用经验的普通用户,通过该程序轻松实现圆筒体开孔补强的分析设计.【期刊名称】《应用能源技术》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P10-13)【关键词】参数化;开孔补强;分析设计;有限元【作者】李秉安;张晨;董爱华;卢日时【作者单位】哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046;哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046【正文语种】中文【中图分类】TH490 引言在压力容器设备设计中，因开孔接管处几何不连续，接管与主壳体相贯处会有很高的应力集中，容器强度受到削弱［1－4］。
近年来，随着装置的大型化和工艺要求的提高，大开孔越来越多。
工程设计也迫切的需要科学、合理、便捷的大开孔补强计算方法［5－8］。
我公司低压加热器抽汽口、海水淡化主蒸发器抽汽口等一系列设备的接口经常会遇到大开孔补强的问题，参数化的大开孔补强分析设计方法是解决这些问题高效可靠的手段［9－13］。
1 国内外开孔补强基本方法及其对比曾有多篇学术论文和专著中对开孔补强的方法，理论推演，适用范围做了详细论述，文中在此处做一小结(见表1)。
表1 几种开孔补强方法的比较计算方法标准使用范围理论来源等面积法GB150 ASMEⅧ－1等内外压、对d及D 的限制参见标准双向拉伸无限大平板开小孔的模型应力分析法 GB150 JB4732等内压、d≤0.9D，且 MAX［0.5，d/D］≤бet/бe≤2 圆柱壳径向接管开孔补强的薄壳理论解压力面积法 PD5500 HG2058等内外压、对d及D的限制参见标准开孔边缘应力只考虑了一次总体及局部薄膜应力续表1 几种开孔补强方法的比较计算方法标准使用范围理论来源膜－弯应力法ASMEⅧ－1等内外压、对d及D的限制参见标准在压力面积法的基础上增加弯曲应力的控制ASME另一方法ASMEⅧ－1等内外压、对d及D的限制参见标准限制开孔接管附近局部薄膜应力的方法弹性力学理论的数值解法，配以弹塑性强度分析设计法JB4732 ASMEⅧ －2 EN13445等内外压、对d及D没有要求准则上述六种开孔补强法，根据不同的理论来源，可分为两大类。
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2017, 6(2), 116-127 Published Online June 2017 in Hans. /journal/met https:///10.12677/met.2017.62017文章引用: 刘京东, 钱才富. 平板矩形大开孔结构补强设计及效果研究[J]. 机械工程与技术, 2017, 6(2): 116-127.Study of the Reinforcement Design and Effects on the Structure of a Plate with a Large Rectangular OpeningJingdong Liu, Caifu QianCollege of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, BeijingReceived: May 23rd , 2017; accepted: Jun. 4th , 2017; published: Jun. 9th, 2017AbstractIn this paper, finite element method is applied to simulate the stress distribution at the structure of a plate with a large retangular opening under the transverse pressure with the concentration on the reinforcement methods and effects. It is found that the maximum stress occurs at the round corner ofthe nozzle at the opening and the stress is mainly the bending one. Unlike on a cylinder, a reinforcement ring is not effective to reinforce the plate with rectangular opening. By increasing the bending stiffness, adding the nozzle thickness or applying reinforcement ribs can effectively reinforce the strength of the plate with opening. Specifically, when the reinforcement ribs are parallel to the short edge of the nozzle at the opening and close to the round corner, the reinforcing effect is the most significant.KeywordsPlate with Opening, Reinforcement Design, Stress Analysis平板矩形大开孔结构补强设计及效果研究刘京东，钱才富北京化工大学，机电工程学院，北京收稿日期：2017年5月23日；录用日期：2017年6月4日；发布日期：2017年6月9日摘 要本文采用有限元法，模拟了带有矩形大开孔的平板在压力作用下的应力分布及特点，并研究了强度补强方法与补强效果，发现最大应力出现在大开孔接管圆弧拐角处，结构上的应力主要是弯曲应力；和圆筒体开孔结构不同，平板补强圈补强没有明显效果，甚至适得其反；而由于增加了结构的弯曲刚度，厚壁刘京东，钱才富管补强和加强筋补强都能有效降低开孔接管与平板连接处的应力集中，特别是当加强筋平行于短边并靠近开孔拐角布置时，补强效果最显著。
关键词平板开孔，补强设计，应力分析Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言在压力容器的设计制造过程中，工艺要求开孔的情况不可避免。
由于开孔破坏了结构的连续性，压力容器在外载荷的作用下，会在开孔附近出现应力集中现象，降低了结构承载能力，因此开孔补强设计是压力容器设计过程中重要的组成部分。
本文所研究的高压氧舱舱门为平板中心矩形大开孔结构，其开孔率已超出GB150-2011中规定的范围，故不能采用等面积法进行设计校核[1]。
在HG/T20852-2011中阐述了基于压力面积法的大开孔补强计算，但其计算模型适用于开圆孔的壳体[2]。
对于大开孔问题，国内外学者采用有限元方法进行数值计算，但主要集中于圆形、长圆形或椭圆形大开孔，针对矩形大开孔的分析较为少见[3] [4] [5] [6]。
在工程实际中，常规的补强方法[7]包括厚壁接管补强、补强圈补强和加强筋补强。
就平板中心矩形大开孔结构，本文拟通过有限元模拟分析上述各补强结构在相同载荷作用下的响应，对比补强效果并得出对矩形大开孔最为有效的补强措施。
2. 计算模型的确定2.1. 平板矩形大开孔结构的简化及基本参数本文采用ANSYS15.0软件研究平板开孔附近的应力。
氧舱舱门结构为圆形平板正中心开矩形孔，并在开孔处接有舱门围栏(下称接管)。
根据其对称性，取整体结构的1/4进行建模。
不同补强结构的计算模型如图1~图4所示。
平板和接管材料均为Q345R，弹性模量E = 1.99 × 1011 Pa，泊松比u = 0.3。
几何结构的具体参数如表1所示。
2.2. 边界条件设置压力边界如下：1) 在平板内表面以及内伸接管外表面施加0.3 MPa的压力；2) 在内伸接管端面施加由内压引起的等效接管载荷，其值为4.75 MPa。
位移边界条件如下：在对称截面上施加对称约束，平板外边缘施加全约束。
2.3. 单元选用及网格无关性测试采用SHELL181单元划分网格。
SHELL181单元为具有4节点的结构单元，每个节点具有6个自由度适合对薄壳结构进行分析。
网格的划分需要进行网格无关性测试，即将结构网格细化。
在1.2所述边界条件下，以初始无任何补强结构典型部位的应力强度为依据进行结果比较，网格无关性测试见表2。
表2说明，初始总体网格刘京东，钱才富尺寸已具有足够精度，故应用于后面的数值模拟。
3. 有限元计算结果及对比分析3.1. 内压作用下结构无补强时的计算结果图5为结构上的薄膜加弯曲应力分布，云图中最大应力值(842 MPa)位于平板与接管的拐角连接处，应力集中区亦主要出现在该区域。
图6为结构上的薄膜应力分布，云图中薄膜应力最大值(142.2 MPa)也位于平板Table 1. Geometrical parameters表1. 几何结构的具体参数平板矩形大开孔结构结构尺寸圆平板直径D/mm 3216圆平板初始厚度t/mm 20圆平板上矩形孔尺寸/mm 1922 × 1222开孔处圆角尺寸/mm 192接管内接深度/mm 265接管初始壁厚/mm 22Table 2. Grid independence test表2. 网格无关性测试总体网格尺寸20 mm 总体网格尺寸10 mm 相对误差最大薄膜应力/MPa 142.3 145.5 2.2% 最大薄膜加弯曲应力/MPa 842.1 830.8 1.4%Figure 1. Geometric model of thick-walled reinforcement图1. 厚壁接管补强的几何模型刘京东，钱才富Figure 2. Geometric model of reinforcement ring图2. 补强圈补强的几何模型Figure 3. Geometric model of reinforcement ribs in vertical distribution图3. 加强筋竖直排列补强的几何模型刘京东，钱才富Figure 4. Geometric model of reinforcement ribs in horizontal distribution图4. 加强筋水平排列补强的几何模型Figure 5. Distribution of membrane plus bending stress intensity (MPa)图5. 薄膜加弯曲应力分布(MPa)刘京东，钱才富与接管的连接处，由此可知连接处的弯曲应力为主要成分。
原因在于受横向载荷(压力)作用时，平板主要发生弯曲变形。
此外，矩形大开孔破坏了结构的几何连续性，在连接处由于变形协调产生了局部弯曲应力。
为降低该局部弯曲应力，需要进行强度补强，本文采用的补强方法包括增加接管的厚度、设置加强圈、设置加强筋。
3.2. 内压作用下加厚接管补强的计算结果接管的初始厚度为22 mm，在此基础上增加接管厚度，每次增加1 mm，直至30 mm。
图7表示最大薄膜加弯曲应力随接管厚度的变化，最大值由加厚前的842 MPa降至352 MPa，补强效果明显。
图8为最大薄膜应力随接管厚度的变化，其最大值已由142 MPa下降至100 MPa。
所以，加厚接管是能有效降低平板开孔接管连接处的应力的，特别是弯曲应力，其原因是增加接管厚度增加了结构的弯曲刚度。
图9和图10分别为接管厚度为30 mm时结构上薄膜加弯曲应力分布和薄膜应力分布。
按应力分类所得各应力强度满足各自应力强度安全判据。
3.3. 内压作用下补强圈补强的计算结果补强圈与平板间的接触行为属于非线性问题，但有研究表明，在内压一定的条件下，有接触与无接触两种情况下最大应力相差不大[8]，为提高计算效率，这里不考虑平板与补强圈之间的接触行为。
初始补强圈处总厚度设为21 mm，拟计算在不同接管壁厚情况下补强结构的应力。
图11为补强圈厚6 mm即补强圈处总厚度为26 mm时结构上薄膜加弯曲应力强度分布，可见采用补强圈补强，结构上的最大应力出现的位置没有改变。
图12为最大薄膜加弯曲应力强度随补强圈总厚度的变化。
图12表明，接管厚度一定时，结构连接处的薄膜加弯曲应力强度随补强圈处总厚度的增加先减少Figure 6. Membrane stress intensity distribution (MPa)图6. 薄膜应力分布(MPa)刘京东，钱才富Figure 7. Plots of membrane plus bending stress vs. nozzle thickness图7. 薄膜加弯曲应力随接管厚度的变化Figure 8. Plots of membrane stress vs. nozzle thickness图8. 薄膜应力随接管厚度的变化刘京东，钱才富Figure 9. Distribution of membrane plus bending stress intensity when the thickness is 30 mm (MPa)图9. 接管壁厚为30 mm时薄膜加弯曲应力分布(MPa)Figure 10. Plots of membrane stress vs. nozzle thickness图10. 薄膜应力随接管厚度的变化刘京东，钱才富Figure 11. Plots of membrane stress vs. nozzle thickness图11. 薄膜应力随接管厚度的变化Figure 12. Plots of membrane stress vs. nozzle thickness图12. 薄膜应力随接管厚度的变化刘京东，钱才富后增加，并且均是当补强圈处总厚度约大于接管厚度1 mm时，最大薄膜加弯曲应力强度取到最小值，而当补强圈厚度再增加时，薄膜加弯曲应力强度又稳定上升。
