局部应力计算方法的对比研究(下)[1]_图文

1、 维普资讯 年 月 秦叔 经 ， 局部 应力计算方 法的对比研 究（ 等 下） （ ）按 力学 原 理 ， 当在 接 管 与 壳 体 处 作 用 有 横 向力时 ， 该横 向力 在 移 到该 处 的过 程 中总 是 会 产 生 矢 量方 向与 该横 向力 作用 方 向垂 直 的弯 矩 。该横 向 力 产生 的是 剪应 力 ， 该 剪 应 力 的大 小 沿 接 管 圆周 而 方 向是 变化 的 ， 在与 横 向力 作 用 方 向垂 直 的两 点 有 薄壳 有 力矩 理论 计 算 得 到 的最 大 应 力 ， 按 安 定 性 再 条件 加 以 限制 。 因此 ， 以认 为该 方 法 已考 虑 了接

2、 可 管连 接处 的边缘 应力 的影 响 。从 表 列 出 的计算 结 果也 可 看 出 中 的方 法得 到 的计 算 结 果 将 比有 限元方 法 的结 果 有 更 大 的安 全 裕 度 ， 在工 程 中 最 大值 。而 该横 向力 产生 的弯矩 在壳 体 上所 产生 的 应力 沿接 管 圆周 方 向 也 是 变化 的 ， 最 大 值 恰 与 横 其 向力 产生 的 最 大 应 力 点 相 差 。 在 计 算 最 大 当 量 ， 应力 时 ， 只能 取其 一 与 其 他 载 荷 产 生 的 应 力 进行 叠 加 。如考 虑横 向力 的数值 约 比其 引起 的 弯矩值 小 两 个数 量级 ，

3、由此两 不 同载 荷 产 生 的 应 力 值 一 般 总 是 后一 载荷 产生 的应 力 值大 ， 在工 程应 用 时 ， 以忽 故 可 略横 向力 的影 响 。但横 向力 主 要将 对 薄膜 应力 部 分 产生影 响 ， 于球壳 与 接管 连接 的结 构 ， 对 由于在 强度 条件 中 ， 膜应 力 起 决 定 作 用 ， 薄 因此 ， 当需 要 较 精 确 地评定 球壳 与接 管 连 接 结 构 的强 度 时 ， 考 虑 横 向 应 力 的影响 ， 特别 当选 择 体单元 进 行有 限 元分 析 时 ， 横 可 以使 用该 方法 来取 代 有 限元方 法 。 （ ）对 于接 管 壁 厚 较

4、 薄 的情 况 ， 论 是 圆筒 体 无 与接 管 的连接 结 构 ， 还是 球壳 与 接管 的连 接 结构 ， 在 外 加 机械 载荷 的作用 下 ， 方 法 和有 限元 分 析 方 法 的计算 结 果都 给 出最 大应 力 点 的位 置 是在 接 管上 ， 即在这 种情 况 下 ， 结构 破坏 的可能 位置 是靠 近 连 接 处 的接 管 上 。但 方 法 的 力 学 模 型 是 无 开 孔 的壳体 连 接一 实 心件 ， 因此 ， 该方 法 的结果 无 法显 示结构 破坏 的危险位 置 以及 最大 应力 ， 即针对 薄 壁 管结 构 ， 方 法 的结 果 是 不 可 靠 的。另 外 方法

5、 也不能 反 映接 管壁 厚 变化 对 壳体 应力 大 小的影 响 。但 实 际 上 ， 随着 接 管壁 厚 的增 加 ， 管 接 向力 除 了对薄 膜应 力 可 能 有 较 大 影 响 外 ， 表 面 弯 对 曲应力 也会 产 生一 定 的影 响 。 对壳 体 的支 撑作用 增加 ， 之连接处 的壳 体上 的薄 膜 与 应力 就会 随之下 降 ， 而表面 弯 曲应力 可能升 高 。 当接 管 壁 厚 与 壳 体 壁 厚 相 当或 大 于 壳 体 壁 厚 时 ， 了在 圆筒 体 与接 管 的 连 接结 构 上 单 独 作 用 沿 除 接管 轴 向力 这一 种情 况 ， 方 法 的 结果 与 有

6、 限元 分析 方 法 的结 果都 较 为接 近 ， 且一 般 都 是 方 法 的结 果 比有 限 元 分 析 方 法 的结 果 更 为 保 接 管 上 作用 有 扭 矩 时 ， 只要 其 数 值 与其 他 两 个 方 向的弯矩 数值 相 当 ， 其 在 壳 体 中仅 产 生 相 对 很 则 小 的剪 应力 ， 当计 算 当量 应力 时 ， 以忽 略其 对壳 体 可 强 度 的影 响 。 （ ）在 压力 与 其他 外加 机械 载荷 同时作 用 的情 况下 ， 目前 工 程 设 计 中 采 用 的 方 法 或 方 法 ， 当外加 机 械 载 荷 为 沿接 管 轴 线 方 向 的轴 向力 或平 面外

7、 弯 矩 时 ， 两 方 法 的 结 果 与 压 力 该 产 生 的一 般部 位 的薄 膜应力 相 叠加 可 确保 安全 。当 外加 机械 载荷 为平 面 内弯矩 时 ， 方 法 只计 入 壳体 该 上 一般部 位 薄膜应 力 的做 法会 在一 定 程度 上低 估 接 守， 因此 ， 工程 设计 上 是 可 以接 受 的 。 在 （ ）对 于 圆筒 体 与接 管 的 连 接 结 构 ， 方 法 算得 的表面 应力 值 绝大 部分 情况 下都 大 于有 限 元 分 析 的结果 ， 别是 在 薄壁 管 的情 况下 ， 方法算 特 该 得 的接管 上 的弯 曲应 力 可能 数倍 于有 限元 方 法

8、的结 果， 因而使 设 计太 过 于保 守 。然 而 ， 当缺 乏有 限元 分 析 的条件 时 ， 在工 程设 计 上采 用 方法 可 以 得 到一 个 安全 的结 果 。 管 与壳体 连 接处 的最 大应 力 。 当单 由压力 在连 接 结 构处 产生 的应 力值 不 高 时 ， 在 接 管 开孔 处 经 过 了 如 补强 计算 并采 用 了较 保 守 的补 强 结 构 的时 候 ， 种 这 做法 对结 构 的强度 校核 不会 带来 太 大 的影 响 。但如 果在 连接 结构处 ， 由压力 产 生 的应 力 值 与 单 由外 单 （ ）与 方 法 相 似 ， 方 法 仅 可 用来 校核 壳

9、体 的强 度 。虽然 该方 法 给 出 了接 管 的 应力 计 算 ， 但仅 限于 接 管 一 般 部位 在 弯矩 和轴 向力 作 用下 的应 力 ， 不是 接管 与壳 体 连接 处 的应力 ， 而 故 该 方法 得 到 的接管 应力 值 比有 限元 分析 得 到 的接管 加平 面 内弯矩 产生 的应 力 值 相 当 的话 ， 不 计 边 缘 则 应力 的做 法可 能低 估 该 连 接 结 构 的实 际 应 力 水 平 。 这种情 况 下 ， 议 采 用 建 方 法 或 方法计 算 除压力 载 荷 以外 的机 械 载 荷 产 生 的 应 力 ， 再 采用 文献 中方 法 计 算 压 力产 生

10、的 应 力 ， 将 并 该 部分 应力 乘 以 即 后 与 前 （ ） 面算得 的应 力进 行叠 加 。 中的方法 在 考虑 压 力 载荷 时 ， 通 过 是 最大应力值要低得多 ， 在工程上不 能将其作为强度 判定 依据 。在校 核 壳 体 强 度 方 面 ， 第 两 节 的 在 、 全部 算例 都 证 明该方 法 的计 算结 果 往往 要 比有 限元 分析 的结 果 保守 得 多 。 由于 中 ， 于应 用 对 该 方 法 给 出 的 几 何 结 构 条 件 比 方 法 和 方 法 要 宽 得 多 ， 此 ， 因 当结 构 的几 何 尺 寸 超 出 了 方 法 和 方 法 的范 围 时 ，

11、 开孔 补强计 算 的压 力 面 积 法 确 定 极 限压 力 ， 后 组 然 合 和限制 载荷 比。在 计 算 表 面 应力 ， 方 法 也 是 按 该 又没 有条 件采 用有 限元分 析 的情 况下 ， 以应 用 可 维普资讯 化 工 设 备 与 管 道 第 卷第 期 中提 供 的方 法 ， 以得 到 一 个 对 壳 体 来 讲 可 能 构 的安 全要求 的。 为相 当保守 的结 果 。然 而 ， 管部 分 的强 度 还需 要 接 用其他 方 法或工 程经 验来 给 以保证 。 就 目前局 部 应 力计 算 方 法 的研 究 结 果 ， 当采用 应力 分 类 的强度 条 件 时 ， 如何

12、区分 弯 曲应 力 中的一 次应 力 和二 次应力 的问题仍 无法 得 到解决 。可 以想 到 的方 法是通 过 修改 目前普 遍采 用 的应力 分类 的强 度条 件 来得 到一 个 工程 解 决 方 案 ， 对 于 接 管 上受 但 到外 加 机械 载荷 时 ， 体 强度 极 限 的确 定 条 件 尚缺 壳 乏 大量 实验 数据 的支 持 ， 因此 ， 如何 修改普 遍 采用 的 应 力分 类 的强度 条件仍 是 一个 棘手 的 问题 。在工程 近些 年来 ， 于接 管上 作用 外加 机械 载荷 时 ， 对 壳 体上局 部应 力 的计算 方法 已 出现 了一些新 的研 究成 果 ， 文献 如

13、 和 中给 出的针 对简 体 与接 管 连接 结构 的计算 方法 ， 方 法 将 可 以得 到与 有 限 元方 法 该 同样精 确 的结果 。如 该方 法能 进一 步工程 化 ， 那 么， 利用当前已有 的计算机软 、 硬件技术， 将该方法 应用 于工程 设计 应该 不存 在大 的障 碍 。而在新 方法 可为工 程设 计使 用 之 前 ， 设计 人员 在 解 决 实 际工 程 问题 时 ， 本文提 及 的 种 方法 ， 根据 以上推 荐 的 对 可 应用 中 ， 当无 合适 的使 用经 验 的条件 下 ， 可参 考文献 提供 的方 法来 确定 强度条 件 。 参 考 文 献 ， ， ， ， ，

14、 （ ） 原则作 出合 理 的选择 。 对于 壳体 与接 管连接 结构 ， 目前 ， 工程 上普遍 在 接受 的仍 是按 应 力 分 类 的强 度 条 件 。在 采 用 、 和 有 限元 方法 进 行 局部 应 力 计算 时 ， 在计算 得 到 的弯 曲应 力 中实 际可能 存在 着与 外加机 械载 荷平衡 的一 次应 力 和为满 足变 形协 调而 产生 的 二次 应力 ， 但这 种方 法 都 无 法 将 弯 曲应 力 中的 一 次应 力和 二次 应力 成分 区分 开 来 。如 前 所 述 ， 文 本 在第 部分 为 了结果对 比的方便 ， 采用 了按 局 都 ， ：“ ” ， 部 薄膜 应

15、力不 大于 倍 的许 用应 力 和薄膜应 力 弯 曲应力 不大 于 倍 的许 用应 力对 结构 强度进 行 校 核 。在这 种校 核条 件 中 ， 由于 缺 少 了一 次 薄 膜 应 力 加一 次弯 曲应 力不 大 于 倍 许 用 应 力 的 条 件 ， 因 此， 强度 校核结 果有 可 能是偏 不安 全 的 。由于在 薛明德 ， 杜青海 ， 黄克智 内压作用 下 圆柱壳开 孔接管 的分析 设计方法 压力容器 ， ， ） （ ： ， 钢制压力容器分析设计标准 ， ， ， ， ， 中 ， 对局 部 结 构 一 次 加 载 的失 效 条 件 采 用 了 极 限载荷 的概 念 ， 然 这两 种 强

16、度 条 件相 对 应 的应 虽 ， ， ， ， ， ， 力分 析方 法都 是线 弹性 的分 析方 法 ， 在 极 限载 荷 但 的条 件 中 自然 包含 了一 次弯 曲应力 的效 应 ， 因此 ， 该 方法 的结 果就 显得 比本 文 中的其他 种 方法 来得 保 守， 可是 实 际上 ， 方法 的结 果可 能会 是符合 实 际结 该 秦叔经 位移应力 及其强度 条件 化工设 备与 管道 ， ）： （ 年 轻工机械 订启 事 征 国 内总 发 行 ： 江 省 报 刊 发 行 局 （ 浙 邮发 代 号 ） 国外 总 发 行 ： 国 国 际 图 书 贸 易 总 公 司 （ 行 代 号 中 发 ） 双月刊 ， 大 开 ， 册 定 价 元 ， 年 元 。 每 全 邮局订阅 （ 代号 ） 也可直接 向本编辑部