压力容器补强圈与简体间接触特性的应力分析研究
中国将首次举办第十二届世界钛会
吴本华 ， 桑芝富．接管纵 向弯矩作用下 补强圈与壳 体 间的接触行为 ［ ］ Ｊ ．压力容器 ， ０ ４ ２ （ ） ４ ２ ０ ， １ ６ ：１
—
１ ７．
王 晓明， 桑芝 富．接管弯矩作 用下补强 圈与容器壳
体间 的接 触特 性 ［ ］ Ｊ ．南 京工 业 大学 学报 ，２０ ， ０ ３
—
（ ）在 不考 虑 热载 荷 的作 用 下 ， 强 圈 与壳 １ 补
１ ９．
体之 间 的接 触应 力 随着 接 触 间 隙 的增 加 而 增 大 ， 达到最 大值之 后 ， 减小 的趋势 ； 无接触 以及 接 有 有 触 间隙的变化 对 总压 力影 响都 不 大 ， 触 应 力 随 接
余伟炜 ， 高炳军． Ｎ Ｙ Ａ Ｓ Ｓ在 机械与 化工装备 中 的应 用（ 第二版 ） Ｍ］ ［ ．北京 ：中国水利出版社 ， ０ ７ ２０ ．
收 稿 日期 ：０ ０～ ４—１ 修 稿 日期 ：００— ６—１ ２１ ０ ６ ２１ ０ ８
（ ）以上所 有 的 热载 荷 分 析 中 ， 未 考虑 接 ３ 都 触热 阻 的影 响 ， 这与 实 际情 况 有误 差 尤 其 对 于精
ｕ ｔ． ｄ ． ｎ ｓｃ ｅ ｕ ｃ
时， 接触 缝隙 的存在 ， 使 总应 力 明显增加 。因此 会 采 用有 限元分 析方 法 ， 拟 补强 圈 与 壳体 的 接触 模
中国将 首次举 办第 十二届 世界 钛 会
中国首次举 办的第 十二届世 界钛会 ， 于 ２ １ 年 ６ 将 ０１
月 ｌ —２ ９ ５日在 北 京 的 国 家会 议 中心 举 行 。 科 学 基 金 委 员会 、 国 工 程 院 等 国 家 有 关 部 门 和 机 构 对 中
基于ANSYS补强圈与筒体间接触的有限元分析
展 的拉 格 朗 日算 法 （ 函 数 ＋拉 格 朗 日） 罚 。与 罚 函数算 法相 比 ， 展 的 拉 格 朗 日算 法 不 易 引起 病 扩 态 条 件 ， 是 ， 有些 分 析 中 ， 展 的拉 格 朗 日算 但 在 扩 法 可能 需要 更 多 的迭 代 ， 别是 变 形 后 网格 变 得 特
展 过 程 及 接 触 应 力 Байду номын сангаас 大 小 。 应 当 指 出 的 是 ， 接 在
触 分析 过程 中 ， 即使 材料 处 于线 弹性 阶段 ， 该数 值
分 析 过 程 也 是 高 度 非 线 性 的 。 在 接 触 分 析 过 程
中， 有很 多 因素应 予 考虑 和选 择 。
２ １ 目标 面 和 接 触 面 的 指 定 ． 目标 面 、 触 面 选 择 的 不 同 会 引 起 穿 透 量 的 接
为 图 ２所 示 的 ３个 部 分 ， 应 于 筒 体 相贯 线 位 置 对
以 １～９表 示 。
上 网格 较粗 ， 指定 细 网格所 在 的面 为接 触 面 ， 则 粗
网 格 所 在 的 面 为 目标 面 ；
Ｃ 当两个 面得 刚 度不 同时 ， 以较 硬 的面 为 ． 应
目标 面 ， 软 的 面 为 接 触 面 ； 较
多年来 ， 压力 容器 的应 力分 析 中 ， 在 一直沿 用 经典 的薄壳 理论 。在应 用薄壳 理论对 压力 容器 开 孔补 强结构 进行分 析及设 计 时 ， 将其 分为接 管 、 补
寸 ， 简 体外 径 近 似 为 接 管 直 径 的两 倍 ， 度相 即 厚
同 ， ： 管 内径 ｄ＝１５ ｍ， 度 ｚ ５ ｍｍ， 即 接 ２ｍ 长 ＝１０ 壁
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求引言压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。
1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。
1.1补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当符合的基本的条件为，容器壳体名义厚度不得大于38mm补强圈的材料厚度不得大于1.5 倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度应当小于540MPa若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。
当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于HG/T20583中的G28 G29 G30 G33的要求。
补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm 的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。
带补强圈的接管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用GB15 0中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm勺圆角。
?a 强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间勺间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终勺热处理后应力缺很复杂。
1.2整体补强结构补强当具有下列条件时，应当采用整体补强或者局部整体补强。
①高强度钢(标准抗拉强度大于540MPa和铬钼钢(如15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R 制造的压力容器；②补强圈勺厚度大于1.5 倍容器壁厚度；③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器；④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm；⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。
化工容器试题
一、填充1、化工容器的基本是安全性与经济性，安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。
2、受内压的容器其主要失效形式属于弹塑性失效，而外压容器的失效形式则主要是整体失稳。
3、化工容器采用合金钢的目的主要是抗腐蚀、抗高温氧化或耐特高的温度。
4、容器的应力分析有两种基本的研究方法：解析法和实验应力分析法。
5、按无力矩理论假设，轴对称条件下的薄壳中只有薄膜应力，没有弯曲应力和剪应力。
6、容器由于这种总体结构的不连续而在连接边缘的局部地区出现衰减很快的应力升高现象称为边缘应力。
7、在壳体的不连续区域由内压和边缘效应产生的应力由两部分组成薄膜应力和弯曲应力。
8、园板周边简支表示周边不允许有挠度，但可以自由转动，因而不存在弯矩，最大挠度发生在圆板中心。
9、 最大挠度和最大应力与圆板的材料、半径、厚度有关，减小半径或增加厚度都可减小挠度和降低最大正应力。
10、 容器的设计压力其值不得小于容器得最大工作压力得1.05～1.3倍，在相应设计压力下设定得受压元件得金属温度，其值不得低于金属可能达到得最高金属温度。
11、 厚度附加量由两部分组成：钢板厚度的负偏差和腐蚀裕度。
12、 最常见的容器封头包括半球形、椭圆形、碟形和无折边球形等凸形封头以及圆锥形、平板封头等数种。
13、 大多数中低压容器采用椭圆形封头，常压或直径不大的高压容器常用平板封头，半球形封头一般用于低压。
14、 对于标准椭圆形封头，其壁厚计算公式为ppD t t i 5.0][2-=ϕσ 15、 流体在垫片处的泄漏以两种形式出现，即渗透泄漏和界面泄漏。
16、 垫片系数m 是指操作时，达到紧密不漏，垫上所必须维持的比压于介质压力的比值。
17、 常用的压紧面形状有突面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等几种。
18、 法兰的设计必须考虑两个不同的问题：一是法兰连接结构中的各部件必须有足够的强度，二是连接本身必须保证密封。
19、 应力集中常发生在容器上有过渡圆角的地方，分布范围很小，只是在极局部的地方产生一个比薄膜应力大许多倍的应力峰值。
内压圆筒大开孔结构补强设计与应力分析
后
勤
工
程
学
院
学
报
Ｖ０． ８ Ｎ ． １２ ｏ ２ Ｍａ ． ０ ２ ｒ２ １
Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ Ｌ ０ＧＩ Ｔ Ｃ ＧＩ ＥＲＩ ＮＩ Ｓ Ｉ ＡＬ ＥＮ ＮＥ ＮＧ Ｕ ＶＥＲ Ｉ Ｓ Ｉ
文章编 号 ：６２— ８ ３ ２ １ ）２— ０ ６— ６ １７ ７ ４ （０ ２ ０ ０４ ０
近年来 ， 随着计算 机技术 不断发展 ， 限元分析 法逐 渐成 为 压力 容器 应力 分 析 的主要 手段 ， 有 并在 工程 上 得到 了很 好 的应用 ¨ 。鉴 于该 容器开孔率 超 出了 Ｇ ５－ ９８ 的规 定 ， 定采 用 目前 常用 的压 力 面积 ｊ Ｂ １０－１９ － 确
因此 ， 出静水 压 为 ００ ａ焊接 接 头 系数 为 ０ ９ 给 ．２ＭＰ ， ． 。表 ２列 出 了 由 以上 给定 条 件 计算 出 的容 器 相 关 参
数， 简体计算厚度为 １１ ｍ， Ｇ ５－ １９ ．２ｍ 而 Ｂ １０ ９８规定低碳钢容器不考虑腐蚀裕量时的最小厚度为 ３ｍ ｍ， 因此取名义厚度为 ４ｍ 有效厚度为 ３ｍ 并据此计算出容器的其他工作参数。 ｍ， ｍ，
法和 Ａ Ｍ Ｓ ＥⅧ法对含油废水处理容器壳体进行开孔补强设计 ， 然后使用 Ａ ａｕ 非线性有限元分析软件对接 ｂｑ ｓ
收 稿 日期 ： １ — ９ ２ ２ １ ０ —６ ０ 作 者简 介 ： 唐永勇， 讲师， 男， 硕士， 主要从事Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ和计算机 图形学研究。 Ａ ／Ａ
第 ２期
４ ８
后
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工
程
学
院
学
报
２１ ０ ２芷
压力容器中补强圈间隙对补强作用影响
压力容器中补强圈间隙对补强作用的影响摘要：本文针对压力容器制造施工过程中，补强圈与容器壳体之间会存在着一定间隙，采用有限元法进行数值模拟，通过建立不同间隙的有限元模型，来研究补强圈与壳体之间存在的间隙对补强作用的影响。
abstract： in the pressure vessel manufacturing construction， there will be a certain gap between reinforcing circle and the vessel. this paper uses the finite element method to research reinforce effect through creating the different gap finite element model.关键词：压力容器；有限元法；间隙key words： pressure vessel；finite element method；gap 中图分类号：tq051.3 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）04-0025-020 引言在压力容器设计过程中，针对容器开孔问题常采用补强圈进行补强。
补强圈结构简单，易于制造，应用广泛。
补强圈补强是指在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。
补强圈一般与器壁采用搭接结构，材料与器壁相同，补强圈尺寸可参照标准确定，也可按等面积补强原则进行计算。
当补强圈厚度超过8mm时，一般采用全焊透结构，使其与器壁同时受力，否则不起补强作用。
为了焊接方便，补强圈可以置于器壁外表面或内表面，或内外表面对称放置，但为了焊接方便，一般是把补强圈放在外面的单面补强。
为了检验焊缝的紧密性，补强圈上有一个m10的小螺纹孔，从这里通入压缩空气进行焊缝紧密性试验。
但在压力容器设计开孔补强的理论分析中，通常假设在补强圈与容器壳体之间没有间隙，而压力容器制造施工过程中，补强圈与壳体之间不可避免会产生一定的间隙。
2 压力容器应力分析5
σ cr < σ tp 适用条件： 适用条件：
河北科技大学装控系
14
二.受均布周向外压的短圆筒的临界压力
考虑端部约束或筒体上刚性构件的支持作用
3 Et E t 2 2n2 −1− µ + pcr = (n −1) + 2 2 2 2 nL 12(1− µ ) R nL 1+ R(n2 −1) 1+ πR πR
河北科技大学装控系
10
一.受均布周向外压的长圆筒的临界压力
通过推导圆环临界压力，变换周向抗弯刚度， 通过推导圆环临界压力，变换周向抗弯刚度，即可导出长圆筒的
a、圆环的挠曲微分方程：见图（2-39） a、圆环的挠曲微分方程：见图（2-39）
d 2w w M + 2 =− 圆环挠度曲线微分方程： 圆环挠度曲线微分方程： 2 ds R EJ
3.失稳现象 3.失稳现象
承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳 承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时， 体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹， 体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸 去后，壳体不能恢复原状， 去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈 buckling）或失稳（instability）。 曲（buckling）或失稳（instability）。
p cr
代替D 用DO代替D 钢质圆筒（ 钢质圆筒（µ=0.3）： ）
p cr
t = 2 .2 E D 0
3
临界应力（ 临界应力（临界压力在圆筒 σ cr = pcr D0 = 1.1E t （2-93） ） 2t 壁中引起的周向压缩应力） 壁中引起的周向压缩应力）： D0
压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较
压力容器开孔接管处的应力分类及补强设计方法的比较王 磊Ξ(南通职业大学)摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。
关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。
对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。
如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。
本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。
1 应力分类的基本思想按应力分类准则[1],应力分为以下3类:a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。
一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。
b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。
二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。
局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。
压力容器应力分析
c. 锥形壳体
代入区域方程得：
pR ，
2t
则
pR t
这与前边
pD 4t
及
pD 是一样的 2t
母线(mǔxiàn)为直线， xtgx r
cos 将R1R=1∞、，RR2代2=入混合(hùnhé)方程得：σθ=2σφ
代入区域方程得：
pr ， 2t cos
则
pr
t cos
可见：① 平行圆半径 r 越小，应力σφ、σθ也越小，锥顶处应力为零
第二十六页，共129页。
无力矩理论应用条件
压力容器应力
(yìnglì)分析
（1）壳体的厚度、中面曲率和载荷均应连续、没有(méi
yǒu)突变，材料物理性能相同
（2）壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用
（3）壳体的边界处的约束沿经线的切向方向，不得限制边 界处的转角与挠度。
实际中同时满足这三个条件非常困难(kùn nɑn)，即理 想的无矩状态并不存在。应对的方法是按无力矩理论计算壳 体应力，同时对弯矩较大的区域再用有力矩理论修正。
第八页，共129页。
横向剪力、弯、扭矩 统称为弯曲(wānqū)内 力
压力容器应力分析
有力矩理论或 弯曲理论
无力矩(lì jǔ)理 论或薄膜理论
无矩应力状态
同时考虑薄膜内力和弯曲内力，适用于抗弯 刚度(ɡānɡ dù)大、曲率变化大
只考虑(kǎolǜ)薄膜内力、不考虑 (kǎolǜ)弯曲内力，适用于抗弯刚度小、 曲率变化小 承受轴对称载荷的回转薄壳，仅有径向力 Nφ与环向力Nθ、无弯曲内力的应力状态
第二页，共129页。
薄壳
厚壳
t/R≤1/10
t/R>1/10
补强圈与壳体接触特性的有限元分析
对 压力 容器 开 孔 补 强 结 构 进 行 分 析 与设 计 时 ， 直采 用经 典 的薄 壳 理论 ， 接 管 、 一 在 补强 圈 与 容 器壳体 的连接处 建立 变形协 调条件 及力 的平衡
方程 ， 求解连 接处 的位移 与应力 。在求 移与转角 ， 同 时也不 考虑它 们之 间的接触 。然 而实 际结构 中简 体 与补强 圈是 相互 接 触 的 ， 它们 之 间存 在 接 触 应
ｎ ｎ ｉ ｅ ｒ ｍｅｈ ｄ ｏ ｈ ｏｔ ｒ ｏ ｌｎ ａ ｔ ｏ ｆｔ ｅ ｓ ｆｗａ ｅ ＡＮＳ ＹＳ．Ｔｈ ｐｅ ｉ ｇ ｒ ｉｆ ｒ ｅ ｎ ｅ ｉｎ ｏ ｔ ｒ—ｃ ｏｅ ｇ ｅ ｅ ｏ ｎ ｎ ｅｎ ｏ ｃ ｍｅ ｔｄ ｓｇ ｆ ａ ｗａｅ ｏ ｌｄ ｍａ ｎ ｔ ｖ ｓｅ ｅ ｓ ］ｗａ ｔ ｄ ｅ ｈ ｔ ｈ ｗ ｏ ｔｃ ａ ｓ ｉ ｆ ｎ ｅ ｏ ｔｃ ｔｅ ｓ ａ ｄ ｍａ ｉ ｓｓｕ ｉｄ ｔ ａ ｏ ｃ ｎ ａ ｔｇ ｐ ｎｌ ｃ ｄ ｃ ｎａ ｔ ｓｒ ｓ ｎ ｘ ｍｕｍ ｔｅ ｓ ｕｅ ｓｒ ｓ ，ｗｈ ｎ ｔ ｅ ｒｉ — ｅ ｈ ｅｎ ｆｒ ｅ ｎ ａ ｎ ｈ ｅ ｓ ｌ ｓ ｌ ｗａ ｎ ｅ ｆｅ ｅ ｔ ｐ ｅ ｓ ｒ ． Ｉ ｓ ａｓ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ａ ｏ ｃ ｎ ａ ｔ ｏ ｃ ｍｅ ｔｐ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｖ ｓ ｅ ｈｅｌ ｓ ｕ ｄ ｒｄｉ ｒ ｎ ｒ ｓｕ ｅ ｔｗａ ｌｏ ａ ａｙ ｅ ｈ ｔｈ ｗ ｏ ｔ ｃ ｆ ｇ ｐ ｍｐ ｃ ｎ ｔ ｅｍａ ｔｅ ｓｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｎ ｉｅ ｔｔｅ ｍａ ａ ｓ ｉ ａ ｔｏ ｈ ｒ ｌｓｒ ｓ ａ ｅ ｎ ｔｅ ｉ ｄ ｒ ｃ ｈ ｒ ｌ— ｓｒ ｃｕ ｅ ｃ ｕ ｌｎ ｔ ｏ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｐ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ．Ａｎ ｈ ｍｐ ｃ ｄｔｅｉ ａ ｔ ｏ ｏ ｔｃ ａ ｓ ｏ ｈ ｒ ｌｓｒ ｓ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｄ ｒ ｄｆｅ ｅ ｔｔｍｐｅａ ｕ ｅ ｆｃ ｎ ａ ｔｇ ｐ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｔｅ ｓｗａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ ｕｎ ｅ ｉ ｒ ｎ ｅ ｆ ｒｔｒ． Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｏ ｌｎ ａ ｎ ｌｓｓ； ｏ ｔ ｃ ａ ｉ ｄ ｒ ｃ ｏ ｐ ｉ ｇ；ｈ ｒ ｌｓｒ ｓ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒａ ａｙ ｉ ｃ ｎ ａ ｔｇ ｐ；ｎ ｉｅ ｔｃ ｕ ｌｎ ｔ ｅｍａ ｔｅ ｓ
压力容器设计人员考核试题集及答案第二部分 选择题
第二章选择题2.1 确定压力容器是否适用《压力容器安全技术监察规程》管辖范围的压力条件指的是（b. ）。
a.设计压力b.最高工作压力c.最大允许工作压力2.2 下述条款中哪条列出的压力容器全部属于《压力容器安全技术监察规程》第三章、第四章、第五章适用的压力容器。
（___a______）a.锅炉房内的分气缸、橡胶模具、热水锅炉用的膨胀箱、螺旋板换热器。
b.锅炉房内的分气缸、橡胶模具、热水锅炉用的膨胀箱、板式换热器。
c.锅炉房内的分气缸、橡胶模具、热水锅炉用的膨胀箱、压缩机气缸。
d.锅炉房内的分气缸、橡胶模具、热水锅炉用的膨胀箱、冷却排管。
2.3 下列压力容器中，哪种压力容器不适用《压力容器安全技术监察规程》监察范围？（_____d____ ）a.水处理设备中的离子交换或过滤用压力容器。
b.消防装置中的气体或气压给水（泡沫）压力罐。
c.水力自动补气气压给水（无塔上水）装置中的气压罐。
d.船舶上的附属压力容器。
2.4 下列压力容器中，哪些属于《压力容器安全技术监察规程》第三章、第四章、第五章适用的压力容器。
（_a b c________ ）a.深冷装置中非独立的压力容器。
b.空分设备中的冷箱。
c.直燃型吸收式制冷装置中的压力容器。
2.5 下列压力容器，哪些属于《压力容器安全技术监察规程》第三章、第四章、第五章适用的压力容器。
（__a b_______）a.橡胶行业使用的轮胎硫化机。
b.电力行业专用的全封闭式组合电器（电容压力容器）。
c.发电机的承压壳体。
2.6 下列压力容器中，哪些属于《压力容器安全技术监察规程》监察范围？（_______b__ ）a.波纹板式换热器。
b.螺旋板式换热器。
c.空冷式换热器。
d.无壳体的套管换热器。
2.7 下列压力容器中，哪些属于《压力容器安全技术监察规程》监察范围？（_____c____ ）a.核压力容器。
b.船舶和铁路机车上的附属压力容器。
c.内筒处于真空下工作的夹套（带压）压力容器。
圆柱壳开孔补强的接触应力分析
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]。
加强圈补强结构的应力分析研究
《装备制造技术》2008年第1期收稿日期作者简介张忠林,大连南海集团设计研究所。
加强圈补强结构的应力分析研究张忠林(大连南海集团有限公司,大连南海集团设计研究所,辽宁大连116000)摘要:压力容器由于工艺和结构上的要求常常需要开设各种大开孔结构,超出了常规设计方法的适用范围,只能依靠实验研究,但其安全性和可靠性得不到保证。
而以应力分析为基础的设计方法变得越来越重要。
笔者针对加强圈补强结构进行应力分析,给出了应力分析的实验过程和实验结果。
关键词:压力容器;分析设计;圈补强结构;应力分析中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1672-545X (2008)01-0015-03压力容器由于其设备工况的特殊性,安全性是其设计和使用中至关重要的问题。
接管开孔区的结构设计是压力容器设计中令人十分关注的课题,研究大开孔率开孔接管补强结构应力分布规律,从而合理地进行大开孔补强结构设计是保证压力容器安全操作生产的重要因素,对压力容器的设计与制造具有十分重要的意义。
笔者主要针对加强圈补强结构的应力分析作一初步研究。
1加强圈补强结构的应力分析1.1压力容器设计原则压力容器在受压的条件下运行,并伴随着一定的温度,操作介质多为腐蚀、有毒、易燃的介质,一旦失效,将会带来较大的经济损失,甚至危及人的生命安全。
这些特点,决定了压力容器的设计必须遵循安全、健康、环保的原则。
同时,为了取得较好的经济效益,降低成本,经济性也是重要的原则之一。
故压力容器设计的基本原则是:安全、经济、环保、健康。
1.2有限元分析方法有限元分析方法是处理连续介质问题的一种普遍方法。
它开始作为应力分析的一种数值方法而出现,用于对航空工程中飞机结构的矩阵分析,现在则在固体力学、化工设备强度设计等方面得到了广泛的应用。
可以模型化几何形状复杂的求解域。
有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点,是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。
压力容器筒体与补强圈间的接触特性
$&! 接触压力的特性 在不 同 内 压 （ * : (&;<25、 "&%<25、 %&(<25、 作用下， 由补强圈内表面与筒体外表面接 ;&(<25）
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压力容器筒体与补强圈间的接触特性
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触压力分布的等值云图可以看出， 接触压力由容器 处开始， 随着压力的增加逐步向容 的横向截面 （!"! ） 器的纵向截面 （"! ） 处发展， 当压力为 #$"%&’ 时， 最 大接触压力为 ($)%&’， 其位置已靠近容器的纵向截 面补强圈与接管焊缝的附近。
有接触和无接触有限元应力比较纵向截面接触的影响在是否考虑接触的情况下比较容器壳体圈外表面各自的经向轴向和周向应力分布的不并与试验数据相对照以验证带接触有限元分析的有效性如图3所示因仅有外表面试验数据便于对照比较数值分析结果亦取外表面可见在有接触元和无接触元的有限元分析结果中应力分布的显著差别发生在壳体和补强圈部位
图!
焊接板补强接管的计算模型
本文对接管补强区的应力场和承载能力进行分 析。所以在建模时， 取实际结构的四分之一， 在对称 面上加上相应的约束条件。为了获得接管补强区完 整而精确的应力场， 以便进行相应的接触力的分析 和评定， 采用 A 结点 BCDEF$% 三维实体单元来模拟 其实体结构。可能的接触面， 即容器壳体外表面与 补强圈内表面， 用 $ 结点 !" 自由度的面对面三维接 触单元 G5HI+-!?( 和 0./-5J-!?# 来模拟其接触行为。 网格采用映射网格划分， 以准确控制网格密度， 既避免远离结构不连续区过密而延长运行时间， 又 可避免感兴趣的接管补强区网格过于稀疏而增大由 于网格离散所引起的误差。在具有应力集中特性的 相贯区细化网格， 同时为精确捕捉强圈与容器壳体 间的接触行为， 在补强区域沿补强圈和壳体厚度方 向划分两层单元。分析所用的模型及网格见图 "。 $ 结果及分析比较
温度场作用下有初始间隙的补强圈接触特性和应力分析
温度场作用下有初始间隙的补强圈接触特性和应力分析左安达【摘要】补强圈和壳体在载荷作用下会产生一定的相对位移和转动进而产生接触压力,接触压力会对补强结构应力分布产生显著的影响.基于有限元法,采用非线性接触分析对补强圈与壳体之间的接触特性和应力变化进行分析并得出了结论:接触压力是真实存在的、且随内压的增加而逐渐增大,内压单独作用下最大总应力出现在接管根部;温度场耦合作用且温差达到一定值时,接触压力显著增大,最大总应力位置变化至外焊缝位置中间段;初始间隙的存在会影响接触压力的大小,但对总应力值几乎无影响.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】9页(P50-58)【关键词】接触特性;有限元法;温度场;接触压力;初始间隙【作者】左安达【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】TH49;O241.820 引言压力容器壳体上开孔接管的存在，一方面削弱了壳体本身的承载能力；另一方面在接管与壳体连接处因结构不连续性产生较大的附加局部高应力，极大地削减了此区域的强度而成为最薄弱的环节[1-5]。
补强圈作为一种经济有效的补强措施得到广泛应用，可用来降低容器局部薄弱区域的高应力，进而提高容器的整体强度和承载能力。
多年来，压力容器应力分析一直沿用经典的薄壳理论，在对开孔补强区域进行分析和设计时，将其分为壳体、接管和补强圈三部分，并通过在连接处建立变形协调及力的平衡方程求解此处的位移和应力，但前提是假设补强圈与壳体之间没有相对位移和转动；也未考虑相互间存在的接触行为[6]。
然而在补强圈的实际制造和安装过程中不可避免会存在一定的间隙，载荷作用下的补强圈与壳体间会存在一定的相对位移和转动，进而导致与时间历程相关的接触位置和接触压力的变化，同时温度场的存在会使得总体或局部不连续区产生较大的温差应力和峰值应力，这必然会对开孔接管区及焊缝区的总应力分布产生一定的影响[7]。
开孔接管补强圈补强效果和适用性研究
开孔接管补强圈补强效果和适用性研究彭培英;郭彦书;刘庆刚【摘要】分别采用等面积法和基于有限元应力分析设计方法对内径1 000 mm的圆筒开100～500mm圆孔在1～6 MPa的情况下进行了分析.应力分析设计中,分别采用了传统的Path1和标准推荐的Path2进行了应力评定.分析结果表明,Path1的分析结果较Path2偏于保守.根据Path2的分析结果,补强圈补强适用于6 MPa 以下的压力,且在内压较小时,具有较大的安全裕度.【期刊名称】《河北科技大学学报》【年(卷),期】2013(034)006【总页数】5页(P547-551)【关键词】补强圈;分析设计;适用性;补强效果【作者】彭培英;郭彦书;刘庆刚【作者单位】河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 050018【正文语种】中文【中图分类】TH12压力容器的可靠性对于化工类企业的安全具有十分重要的意义，一直以来都是这个领域的研究重点[1-2]，而开孔补强方式和效果对于压力容器运行可靠性影响很大[3-5]。
在压力容器的设计中，标准规定允许采用应力分析的方法进行设计，特别强调了可以采用可靠的数值方法来进行应力分析设计[6-7]。
由于补强圈的结构较为复杂，难以采用经典的弹性力学理论进行分析，有限元方法的发展为解决这一问题提供了契机[8-9]，采用有限元方法进行补强圈补强效果和适用性的研究具备了成熟的条件。
本文采用基于有限元分析的应力分析设计和GB 150—2011[10]规定的“等面积法”分别对内径1 000 mm的圆筒形容器，开孔范围在100～500 mm范围内的补强圈补强进行了分析，研究结果对于补强圈的补强效果和应用条件具有一定的意义。
1 分析模型本文分析了内径为1 000 mm的圆筒压力容器开孔问题，并采用补强圈进行补强。
筒体和接管材料均选用Q345R，根据标准GB 150—2011，得到设计温度下Q345R的许用应力Sm，在厚度为6～16 mm时，许用应力Sm=189 MPa；厚度为16～36 mm时，Sm=185 MPa。
补强圈与筒体间隙对开孔补强结构强度的影响
补强圈与筒体间隙对开孔补强结构强度的影响李岩;杨世明【摘要】在评定压力容器开孔补强结构强度时，经典薄壳理论未考虑补强圈与筒体间隙，而间隙却在实际结构中存在。
设筒体承受不同的内压值、接管上承受不同的轴向力，应用有限元软件的接触算法对压力容器开孔补强结构进行了静强度与疲劳强度评定，考察了不同间隙值对强度的影响，同时也计算了未考虑接触时的结果作为对比。
结果分析表明：在接管有正向轴向力存在的情况下有必要考虑接触，而补强圈与筒体之间间隙大小在评定开孔补强结构静强度与由内压或者轴向变载引起的疲劳强度时的影响可以忽略。
%When evaluating the strength of the opening reinforcement structure of pressure vessels, the classical thin shell the-ory doesn't take into account the interstice between the reinforcement structure rings and cylinder, but in fact, the interstice exists in the structure.The opening reinforcement structure of pressure vessels with different pressure values on the cylinder and different axial force values on nozzle are computed by the contact algorithm of ANSYS in order to evaluate the static strength and fatigue strength.Besides, the influence of different interstices on strength is examined, and the comparison be-tween the results of with the contact and without the contact is made.The results show that the gap between the reinforcement structure rings and cylinder should be considered in the case of the nozzle with positive axial force, while the influence of the interstice size can be ignored when evaluating the opening reinforcement structure of pressure vessels staticstrength and the fa-tigue strength of only internal pressure or the extra axial force on nozzle.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】4页(P104-106,111)【关键词】开孔补强结构;间隙;静强度;疲劳强度【作者】李岩;杨世明【作者单位】天津工业大学机械工程学院，天津 300387;天津工业大学机械工程学院，天津 300387【正文语种】中文【中图分类】TH39薄壳理论作为经典的方法一直应用于压力容器开孔补强结构的分析中,然而这个经典理论在计算时并没有考虑补强圈与筒体间的相对位移与转角以及相互间的接触。
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Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｒ ｅ ｉ ］ ｆｏ ｒ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ— —ｓ ｈ ｅ ｌ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ ａ ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｖ ｅ ｓ ｓ ｅ ｌ
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ａ ｎ ｄ ｇ ａ ｐｓ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ ： ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｅ ｎｔ ｆ ｏ ｒ ｏ ｐ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ；ｆ ｉｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ；ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｉｎ ｆ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｒ ， ． ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ．Ｔｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕｒ ｅ ａ ｍｏ ｎ ｇ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｇ ａ ｐ ｓ ｗａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｙ ｅ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｌ ｏ ａ ｄｉ ｎ ｇ， ｔ ｈｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ
方 法假设 补 强 圈与 筒 体 间 没有 相 对 转 动 和位 移 ， 也 忽视 了补强 圈和 简体 的接 触作用 。这导致 计算 结 果与该 结构 的实 际状 况不 符合 。为使 计算 更 接 近工程实 际， 本文利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ中的 接 触 分 析 模 块， 对补 强 圈的接 触特 性进 行模 拟 ， 对 比筒 体与 补
（ １ ． Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｂ ｏ ｉ ｌ ｅ ｒ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ４ ６ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
２ ． Ｂ ｏ ｈ ａ ｉ Ｓ ｈ ｉ ｐ ｙ ａ ｒ ｄ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｈ ｕ ｌ ｕ ｄ ａ ｏ １ ２ ５ ０ ０ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第 ４期
２ ０ １ ５年 ７月
锅
炉
制
造
Ｎｏ ． ４
Ｂ０Ｉ ＬＥＲ Ｍ ＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩ ＮＧ
Ｊ ｕ １ ． ２ ０１ ５
压 力容 器 补 强 圈与 简体 间接 触 特 性 的 应 力 分 析 研 究
沈 洁 ， 刘 鹏 ， 李玉伟 ， 李 明 ， 张 莹
ｓ ｐ ｒ ｅ ａ ｄ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｍｉ ｄ ｄ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｏ ｕ ｔ ｅ ｒ ｗ ｅ ｌ ｄ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｗ ｈ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ａ ｃ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ
强 圈不 同 间隙条件 下 的结果 并进 行归 纳分 析 。
强度 ， 壳 体和接 管 的 相 贯处 也 会 由于应 力 集 中和
变形 协调 而产 生 较 大 的局 部 应 力 。另 外 ， 压 力 容
１ 设 备 参 数
１ ． １ 设 计参 数
器接 管处 会 由于接 管载荷 、 温差 应 匀、 容器 材 质 以 及制 造缺 陷等 的综合 作用 而成 为容 器破坏 的原发 部位 ， 因此需 要 对 开孔 部 分 进行 补强 。对 压 力 容 器 的分析 设计 中通 常采用 经典 的薄 壳理论 。这一
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｈ ｅ ｌ １ ｉ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ａ ｄ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｏ ｎ ｅ
（ １ ． 哈 尔滨锅炉厂有 限责任公 司， 黑龙江 哈 尔滨 ， １ ５ ０ ０ ４ ６； ２ ． 渤海造船厂集 团有 限公 司， 辽宁 葫芦岛 ， １ ２ ５ ０ ０ ４ ） 摘 要： 本文采用有限元分析方法对接管补强圈和筒体的不 同接 触状态进行 了应力分 析 ， 揭示 了不 同接 触间
隙下的接触应力分布 的情况 。计算结果表 明， 随着压 力的加载 ， 接触位置 由 内外焊缝 中间逐步 扩散到整个 接 触面， 接触间隙与接触应力值 呈正相关 。 关键词 ： 开孔补强 ； 有 限元 ； 应 力分 析
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｑ ０ ５ １ 文献标识硅 ： Ａ 文章编号 ： Ｃ Ｎ ２ ３—１ ２ ４ ９ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４— ０ ０ ４ ９一 ｏ ４
０ 引 言
化工设 备 为完 成 工 艺过 程 必 须 要设 置 接 口， 以便 物 料 进 出 、 检 测 检 修 及 相 关 仪 表 的安 装 等 。 但是 ， 压 力容器 上 的 开孔 会 破 坏 壳 体材 料 的连 续
性， 并 且 开孔 与接 管 的几 何 不 连 续 性会 削 弱 容 器