大开孔接管压力管道的应力分析

论文摘要

压力管道由于工艺和结构上的要求常常需要开设各种开孔结构,用薄壳理论只能求解到开孔率ρ0<0.8的结构,对于开孔率ρ0≥0.8的大开孔问题仍没有得到理论解,一般依靠实验研究,进行对比分析设计或经验设计,其安全性和可靠性得不到保证,人们逐渐开始寻求用数值计算方法求解其近似解,有限单元法已成为解决此问题的最重要的一种手段。本文主要研究压力管道大开孔率接管相贯部位局部应力集中的规律,然而对压力管道上接管进行研究时,其实际结构比较复杂,不可能而且也没必要完全按照实际情况来分析。充分考虑到所研究结构的受力特点、约束特点以及几何上的对称性,适当选取结构的部分作为计算模型。本课题的具体作法是：仅受内压作用下,选取1/4的圆柱壳平齐接管结构作为计算模型。根据简化的模型,确定结构的几何参数,利用APDL语言编制一个适用于不同尺寸的开孔接管结构的通用计算模型。本课题引进有限元建模与分析的参数化思想,避免重复建模与分析的问题,简化设计操作,提高有限元分析效率。运用弹塑性力学理论和有限元分析的方法,利用ANSYS软件对不同开孔率不同厚度比的一系列大开孔率圆柱壳平齐接管结构进行了系统的三维弹性有限元分析,求解出肩点A的应力集中系数绘制成表,利用MATLAB绘制在内压作用下开孔率0.8≤ρ0<1之间的应力集中系数曲线,为进一步研究大开孔圆柱壳接管问题提供数据参考。在对圆柱壳平齐接管结构进行大量的三维有限元应力分析计算的基础上,把开孔率ρ0=0.7的有限元解与薄壳理论解进行比较,可以发现有限元解更接近于实际规律,更偏于安全。对其应力集中系数规律进行了分析研究,并用最小二乘法归纳得到了一个应力集中系数的经验公式,该公式以三个无量纲参数(d/D、t/T、d/(?)DT)为变量,把根据该公式计算的值与有限元解进行比较,发现所有数据的相对误差在0.2%～5.92%之间,其中大部分相对误差小于5%,仅当开孔率ρ0>0.95,壁厚比t/T=8的时候,相对误差大于5%。因此,此经验公式是满足精度要求的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 圆柱壳开孔接管问题的研究现状
• 1.2.1 薄壳理论解
• 1.2.2 有限元解
• 1.2.3 试验研究
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 圆柱壳大开孔接管的分析设计理论
• 2.1 圆柱壳大开孔的薄壳理论
• 2.2 有限元分析方法
• 2.2.1 有限单元法
• 2.2.2 有限元分析的参数化技术
• 2.2.3 ANSYS软件和APDL参数化设计语言
• 2.3 压力容器的应力分类及强度评定
• 2.3.1 应力分类
• 2.3.2 大开孔对筒体应力的影响
• 2.3.3 强度理论与强度评定
• 第3章 压力管道开孔接管结构的参数化
• 3.1 力学模型
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 模型基本尺寸
• 3.2.2 有限元建立模型
• 3.3 模型的参数化分析过程
• 3.3.1 编制APDL程序的方法
• 3.3.2 编写APDL程序
• 3.3.3 运行APDL程序的过程及结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 大开孔接管压力管道的有限元分析
• 4.1 参数化模型
• 4.2 单元类型及材料特性
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.2 材料特性
• 4.3 网格划分
• 4.3.1 划分网格考虑的要求
• 4.3.2 网格的划分
• 4.4 载荷及约束条件
• 4.4.1 位移边界条件
• 4.4.2 载荷边界条件
• 4.5 求解
• 4.6 有限元分析的计算结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 有限元计算结果的处理
• 5.1 弹性分析中的应力集中规律曲线
• 5.1.1 应力集中系数定义
• 5.1.2 应力集中系数的规律曲线
• 5.2 有限元解与薄壳理论解的比较
• 5.3 数据的拟合
• 5.3.1 计算方法
• 5.3.2 应力集中系数的经验公式
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1:模型的参数化程序
• 附录2:单位压力下有限元分析的数据表
• 致谢