大开孔补强的参数化分析设计

李秉安，张 晨，董爱华，卢日时

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 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

续表1 几种开孔补强方法的比较

上述六种开孔补强法，根据不同的理论来源，可分为两大类。第一类以规范给定计算公式和评价标准的方法。这类方法工程应用普遍，易于操作。但所采用理论基础均在实际模型上加以较大的简化，计算结果在某些时候过于保守而在另一特定方面又于冒进。第二类以详细应力分析为计算方法。这类方法的工程应用在近些年呈现出上升态势，但计算工作量加大，对设计人员的要求更高，推广困难。

2 分析设计方法流程

分析设计方法的计算流程包括物理模型到力学模型的简化、力学模型的构建、求解、结果后处理及评价.四个基本步骤。但以上四个步骤的操作中，计算人员的自由度非常大，标准和规范也无法逐条要求各步中的具体操作。一方面造成了模拟结果的可信性因人而异，另一方面如果每个部件每个步骤均力求较高计算精度，则模拟的人力成本、固件投入、计算周期也很难满足工程要求。分析设计较常规设计有他自身的技术先进性，但分析的设计高要求也使得它难以推广。参数化的分析设计就是为了解决这一问题而提出的快捷方法。

3 参数化分析设计

3.1 分析设计标准使用现状及参数化分析设计

JB4732针对以上流程的第四项“结果后处理及评价”做出了详细的规定。但针对流程的前三项没有明确的条文可以参照。JB4732是通过要求设计人员资质、计算能力和设计经验作为计算结果的保证。

开孔补强的分析设计方法，可以引入参数化设计理念来完善分析设计流程。使各环节流程化、规范化，提高分析设计效率和可靠性。

ANSYS提供了 APDL语言(命令流);ABAQUS则提供了Python语言;MSC公司为旗下一大批有限元软件提供了PCL语言作为二次开发语言。这些语言扩展了有限元软件原有的分析设计功能，通过建立标准化库、序列化分析、设计优化等方式提高了有限元软件的处理能力。参数化语言编制程序控制有限元软件，对特定结构以订制形式进行计算，为有限元软件的应用提供了新方法。

下面以ANSYS的APDL语言为例，介绍开孔补强的参数化设计方法。

(1)开启新的工作

命令流一般以“FINFSH”、“CLEAR”语句开始，用来清空ANSYS之前运行的其他工作。

(2)定义参数

为便于应用者修改相关参数，参数设置部分一般在一个独立的赋值空间。大开孔补强分析设计中的相关参数就在这一部分定义。

“*SET”是变量定义于赋值的命令，例如“*SET，DI，1600”是将 DI定义为壳体内径，并为 DI赋值为1600。

(3)前处理

前处理部分几乎囊括了整个有限元计算80%甚至更多的工作。前处理工作的繁杂性和专业性是将很多工程技术人员拒至于有限元分析大门之外的主要原因。

前处理命令以“/prep7”语句开始。包括了从进入软件界面到提交“作业”给求解器的所有操作。几何建模、划分网格、赋予物理属性、定义物理关系、施加计算条件、确定计算类型、选择求解器等工作都是在前处理部分进行的。

ANSYS的每一个GUI操作都有对应的APDL命令。这样，将每一步的GUI操作用APDL语言语流化的编写起来，也就实现了特定结构固定形式的前处理命令流。前处理部分的命令流既可以视作前处理过程中的所有GUI操作的顺序集合。

(4)求解部分

求解部分的命令由“/solu”开始，主要用于定义求解内容和设置输出选项。

(5)后处理部分

后处理部分可以使用命令流定制特殊数据处理方式，大开孔补强的应力线性化处理就应用到了该项技术。

3.2 参数化分析设计算例

以下简单介绍参数化分析设计。工程设计人员完成一次分析计算需按流程完成以下步骤，操作简便。选定结构形式，输入设计条件;启动有限元软件，读入参数化的命令流程序;查看计算结果并形成计算报告。

3.2.1 选定结构形式，输入设计条件

这里所演示的为平齐接管的补强计算。在填写完设计参数(见表2)相关数据后，程序会自动生成命令流文件(如图1所示)。

3.2.2 启动有限元软件，读入参数化程序

该程序是在ANSYS下运行的有限元命令，程序的开发人员也可根据自己需要开发ABAQUS、MSC.NASTRAN平台下的程序。程序使用时读入生成的命令流文件，ANSYS会立即运行，并完成力学模型构建、求解和生成分析设计报告等一系列工作，设计人员无需任何操作。

表2 平齐接管开孔补强设计参数

图1 读入命令流文件

3.2.3 查看计算结果，形成计算报告

有限元分析完成会后自动显示(如图2所示)。其他结果的查看设计人员需按照软件提供的后处理功能进行操作。强度计算书会依据JB4732自行生成。

图2 有限元模型及计算结果

表3 计算报告

4 结束语

以压力容器行业为例，采用分析设计较之常规设计所使用设备原材料要减少20%～30%。仅以此项评估其经济价值就相当可观。但分析设计对设计者的高要求也使这一先进技术难以推广。

参数化程序开发要求编制者应具备较深厚的力学功底，和工程分析经验。计算程序在经过反复论证后加以应用，可将珍贵的分析设计经验固化与程序中，极大的提高了分析设计效率和分析设计准确性，使得阻碍分析设计推广的瓶颈问题得以解决，有利于加快了先进设计手段推广应用，使我国产品的竞争力逐步提升。

［1］胡志栋，徐康博.液压拉伸器用螺栓的可靠性分析［J］.森林工程，2012(2):38 －41+46.

［2］尹千才，朱洪前.长螺旋钻机液压动力头箱体静动力学分析［J］.森林工程，2013(3):97－99+104.

［3］杜青海，薛明德.内压下带径向接管圆柱壳的薄壳理论解［J］.清华大学学报(自然科学版)，2008.

［4］陆明万，桑如苞，丁利伟，等.压力容器圆筒大开孔补强计算方法［J］.压力容器，2009.

［5］薛明德，黄克智，李世玉，等.压力容器设计方法的进步［J］.化工设备与管道，2010.

［6］程丰渊，陆明万.关于分析设计法中应力强度准则Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论［J］.压力容器，2010.

［7］丁伯民.对《关于分析设计法中应力强度准则Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论》一文的商榷［J］.压力容器，2010.

［8］朱 磊，陶晓亚.对《关于分析设计法中应力强度准则 Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论》和《对〈关于分析设计法中应力强度准则Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论〉一文的商榷》两篇文章的意见［J］.压力容器，2010.

［9］李永泰.对《关于分析设计法中应力强度准则Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论》一文的理解和认识［J］.压力容器，2010.

［10］程丰渊，陆明万.对《对〈关于分析设计法中应力强度准则Pm+Pb≤1.5［σ］的讨论〉一文的商榷》的讨论［J］，2010.

［11］朱国栋，李世玉，薛明德.JB4732附录 J(2005确认)大开孔应力分析的工程应用程序［J］.压力容器.

［12］Josef L Zeman，Franz Rauscher，Sebstian Schindier.Pressure Vessel Design The Direct Rout.［J］.

［13］陆明万，桑如苞.关于ASME开孔计算中环向弯矩项的来源［J］.压力容器.