试论有限元法在压力容器及管道局部应力计算中的应用研究

周基伟

【摘 要】随着社会的不断发展和进步，压力容器的应用逐渐广泛，随之而来的设计问题成为社会关注的焦点，局部应力计算是压力容器设计应该重点考虑的问题，对整个结构的稳定性和承载力起着至关重要的作用，那么有限元法在局部管道应力计算中的应用也就成为了满足社会发展需求的必然选择。本文简单的介绍了局部应力及其计算方法概述，分析了有限元法在压力容器及管道局部应力的计算，以供参考。

【关键词】有限元法 压力容器 管道 应力计算

引言

压力容器的整体设计与局部应力有着密不可分的联系，如果局部应力出现过大的情况，一旦超出局部结构的承载限制，很容易出现容器变形和受损，对整个压力容器的运行造成了严重影响。近年来压力容器得到普遍推广和广泛应用，管道的安全运行问题逐渐暴露，不仅阻碍了社会的发展，还给人们的生活带来了一定的安全隐患。

有限元法是一种现代化的计算方式，利用了新型的软件和系统对局部应力的数值进行了准确的计算，从而在很大程度上保证了压力容器设计的合理性，保证了机械设备的顺利运行。

1 局部应力概述

1.1 外载荷产生的局部应力

所谓的外荷载就是除了介质自身的压力外还会受到其他附件传来的荷载，而且这些荷载造成一定的局部应力。荷载传递的途径具有多样性的特点，主要包括支座、托架、吊耳等各种附件，从而将荷载传递到压力容器上。例如大型球罐有立体支座，支座对整个球体起着支撑作用，在支撑的过程中会产生支承反力通过支座直接传递到球壳中，最终产生了局部应力；其次管道在热胀冷缩的影响下会产生推力和力矩，这些荷载将借助支固件进行传递，从而造成局部压力[1]。

1.2 不连续结构的局部应力

不连续结构的局部应力体现在三个方面。

首先在制造时需要进行开孔和接管工作，压力容器在开孔后整个结构的连续性受到了严重影响，比如说容器壳体和接管处出现了不连续的情况，那么相应的局部应力也会出现不连续情况。

其次对于直径较大的高压容器一般采用球形封头，而球形封头的厚度与筒体的厚度存在一定的差异，相连部分的完整性和连续性也会受到影响，一般采用锥形进行过度，从而导致整个结构的受力情况产生了变化，很容易造成局部应力不连续的情况。

压力容器的设计需要考虑整体的经济性，那么对于不同的机构会选择不同类型和性质的材料，连接区域的材料如果出现了差异就会造成不连续的情况，最终造成不连续处局部应力。

1.3 应力集中处的局部应力

局部应力的集中主要包括压力容器和管道两部分的情况。

压力容器的应力集中主要是截面尺寸突变所引起的，上述说到壳体在开孔的过程中结构的稳定性产生了一定变化，应力的分布情况也发生了变化，那么壳体与接管在连接的拐角处就很容易出现应力集中的情况。

压力管道在施工过程中需要进行焊接，焊接不顺利会造成管道受损，以及在运行过程中压力容器中的液体具有一定的复杂性，会对管道冲刷和侵蚀，导致管道受到严重损坏，甚至出现腐蚀的情况，最终造成了管道的局部应力集中，给管道的顺利运行带来了很大的阻碍[2]。

2 有限元法在压力容器局部应力计算中的应用

2.1 锥柱壳连接区域的应用

上述提到材料的厚度差异需要采用锥形方式为过渡段，为了保证结构的稳定性和应力的平衡状态就需要对锥柱的连接结构进行合理的设计，整体结构的设计需要对各方面的情况进行准确地计算，包括厚度、长度以及锥半角情况等。具体情况如下：

锥壳加强厚度：

其中代表的是增值系数，代表的是计算压力，代表的是焊接接头系数

过度环长度：

过度环锥半角：

根据上述计算方式进行分析，对不同值应力进行计算，对计算的结果进行比较，选择最合理的设计方案，保证整体结构的质量[3]。

2.2 椭圆封头水平接管局部应力有限元的计算

上述提到开孔所导致的不连续性造成了局部应力的不连续，接管材料的差异造成了局部应力的连续，而且对于直径较大的压力容器一般采用封头，所以需要对椭圆封头水平接管局部的应力进行准确的计算。通过有限元法建立模型的方式进行应力和强度的计算，从而保证计算的合理性[4]。例如选取部分筒体、底封头和水平切向接管作为研究对象，如图1所示。

在荷载边界条件施加，具体计算如下：

其中代表的是模型内表面施加取值为=0.44MPa荷载，代表的是接管端部施加等效面荷载，代表的是接管内直径，代表的是接管外直径。

根据有限元的计算对结构特性进行分析，从而根据计算的结果和分析的情况进行合理设计。

2.3 椭圆封头中央开孔接管结构的设计

化工设备和压力容器上一般都会有椭圆封头开孔接管结构。但是上述提到，在开孔接管的过程中封头的强度有所降低，结构的连续性受到很大影响，局部应力产生了很大变化，包括不连续性应力、集中应力等，整个压力容器的设计受到很大的影响，需要借助有限元法进行计算。尤其是荷载的处理，荷载包括了自重荷载、风荷载、地震荷载以及偏心荷载等，对这些数据进行準确的计算，如图2所示。

在确定位移边界条件和荷载边界条件后进行计算。位移边界条件为筒体下端X、Y、Z三个方向的位移为0，荷载边界条件为在接管、接头和筒体内壁施加介质压力的面荷载，施加径向力F以及轴向平衡面荷载，然后进行计算[5]。具体情如下：

3 有限元法计算管道剩余强度

有限元法在管道剩余强度的计算可以分为弹性分析和非线性分析两种。

所谓的弹性分析就是以材料有的最大弹性为依据，例如用弹性极限原则对管道的剩余强度进行评价这种方式的提出，能够推导出多种荷载工况下管线腐蚀去应力集中叙述的计算，能够对结构各方面的情况进行全面的分析。

非线性分析需要考虑几何材料的非线性，利用有限元法对腐蚀管道进行塑性的失效分析。例如某工程利用非线性分析对管道剩余强度进行判断，并且得出了影响强度的原因，包括缺陷的方向、尺寸等影响的程度也具有一定的差异性，由此可见采用有限元法计算管道的剩余强度具有很大的优势[6]。

结语

综上所述，在社会大发展的背景下，压力容器的应用已经成为了顺应社会潮流的必然趋势，随着科技的不断进步和发展，压力容器的设计融入了更多的先进技术，对局部应力有了更高的要求，传统的计算方式已经不能满足设计的需求了，需要不断的改进和完善，那么有限元法的应用也就显得格外重要了。

笔者提出，压力容器属于现代工业发展中的产物，其结构稳定性对人们的生命财产安全和企业的安全生产及效益有着深远影响，所以需要加强局部应力计算的准确性，包括椭圆封头连接水平切向接管的机构、放置塔设备结构并用接管连接结构等多方面的情况。希望通过本文的简单分析，能够帮助相关工作人员更好地开展工作。

参考文献

[1]李俊菀.有限元法在压力容器及管道局部应力计算中的应用研究[J].西北大学，2010，15（33）：145-146.

[2]魏国前，陈飞宇，唐秋华等.基于三维有限元的工字钢下翼缘局部弯曲应力计算[J].机械设计与制造，2012，21（7）：20-22.

[3]刘富君，钱岳强，凌张伟等.圆形附件刚度对非开孔壳体应力计算的影响[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2012，13（5）：549-553.

[4]何柳，淡勇，李俊菀等.基于ANSYS的中压反应器封头局部应力计算与强度分析[J].石油化工设备，2010，39（2）：37-40.

[5]林杨杰，金玉龙，苏文献等.压力容器开孔接管局部应力计算方法研究[J].化工设备与管道，2011，48（6）：1-5，9.

[6]李志敏，张仲鹏，曾宪渊等.伸缩臂滑块局部应力计算及支撑位置优化[J].起重运输机械，2010，13（2）：7-9.