开孔间距对压力容器应力影响的有限元分析

高 勇，加万里，王战辉，许文龙，邓晨浩

(1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2.西安航天动力试验技术研究所，陕西 西安 710100)

在压力容器上，由于工艺要求往往需要设置人孔、手孔、压力表、液位计、温度计及安全阀，使得容器需开孔并设置接管[1]，使筒体产生了不连续性结构，在开孔边缘形成了复杂的应力状态[2]，造成了局部应力集中。

近年来，众多学者对压力容器开孔接管区的应力状况进行了研究[3-6]。陶文亮[7]对加热炉的接管进行了有限元分析和强度评定；赵荣等[8]对压力容器大开孔接管进行了有限元分析及强度设计，得出内伸式的接管加强了补强结构，但如果内伸过度，则会增加表面弯曲应力；徐君臣等[9]对带支架压力容器圆筒开孔接管进行了有限元分析及结构改进，为工程上此类结构的设计提供了一定参考依据。本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench对压力容器开孔接管区进行了数值模拟，分析其最大、最小应力随开孔间距的变化规律及两开孔间的相互干涉作用，研究结果对压力容器的工业应用具有一定的指导意义。

1 建立几何模型及划分网格

压力容器的开孔与筒体直径有关，且筒体直径越小，对开孔的影响越大[10]。数值模拟中采用的筒体尺寸较小，几何模型如图1，几何尺寸见表1，设计压力P=2.5MPa，筒体和接管的材料均为16MnR，弹性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3。

定义开孔间距系数K=l'/l，其中l'为开孔间距，l为筒体长度。本文中在其它参数不变时，令K值取0.5～1.5，每次递增0.1，来研究开孔间距与应力分布的相互关系。

采用四面体结构化网格划分网格，为了更加准确的得出开孔接管区的应力分布规律，对开孔接管区进行了网格细化，网格划分如图2。

图1 几何模型

图2 网格划分

2 施加边界约束及载荷

在对称面施加对称约束，在筒体两端施加全约束，以研究两开孔间的干涉作用，在接管端面施加轴向位移约束，在压力容器的筒体和接管内表面施加内压P=2.5MPa。

3 数值模拟结果与分析

3.1 开孔接管区的应力分析

开孔接管区的应力分布如图3所示。由图3可见：在开孔接管区出现了明显的应力集中现象，应力最大值为418.11MPa。不同K值时的应力分布规律如图4。

图3 开孔接管区的应力云图

图4 不同K值时的应力曲线图

由图4可见，在路径相同时，随开孔间距的减小，即K值降低，开孔接管区的应力值逐渐增大，应力集中的程度增大，且最大应力均出现在开孔接管区附近。

3.2 开孔间距对最大、最小应力及应力集中系数的影响

最大应力及最小应力随K值的变化规律如图5。由图5可见：最大应力及最小应力均随着开孔间距的增大而下降；当0.51.3时，最大、最小应力基本不变，说明两开孔间的干涉作用基本消失。

表2所示为应力集中系数随K值的变化。由表2可见：随开孔间距的增大，即K值增大，应力集中系数减小。当0.51.3时，应力集中系数基本不变，在3.8附近波动。

表2 应力集中系数随K值的变化

4 结论

(1)压力容器开孔接管区出现了明显的应力集中现象，且应力集中程度受开孔间距的影响。当K值较小时，应力集中程度剧烈，应力集中系数较大；随着K值增大，应力集中系数减小，当K>1.3时，应力集中系数基本不变。因此从减小压力容器应力集中的角度出发，在开孔时应避免过小的开孔间距。

(2)开孔接管区的最小应力反应了两孔间干涉作用的强弱。随着K值增大，开孔接管区的最小应力逐渐减小，在K>1.3时，最小应力基本不变，说明两孔间的干涉作用逐渐减弱，且最终消失。