内压作用下圆柱壳开孔接管设计方法

1、1内压作用下内压作用下圆柱壳开孔接管分析设计方法圆柱壳开孔接管分析设计方法清华大学工程力学系清华大学工程力学系薛明德薛明德2007年年10月月2内压作用下内压作用下圆柱壳开孔接管分析设计方法圆柱壳开孔接管分析设计方法一一 概述概述 1.1 现有的常规设计方法现有的常规设计方法1.2 我国我国JB4732JB4732分析设计方法的适用范围分析设计方法的适用范围1.3 各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究各国对于圆柱壳开孔接管问题的研究1.4 理论解的困难理论解的困难二二 我国我国JB4732分析设计方法的理论基础分析设计方法的理论基础2.1 基本参数与坐标基本参数与坐标 2.2 交贯线的几何描述交贯

2、线的几何描述2.3 采用修正的采用修正的Morley方程代替扁壳方程方程代替扁壳方程2.4 采用精确的连续条件采用精确的连续条件 2.5 解复杂的偏微分方程的边值问题解复杂的偏微分方程的边值问题三三 理论解可靠性的验证理论解可靠性的验证四四我国规范我国规范JB4732JB4732中圆柱壳开孔接管的分析设计方法中圆柱壳开孔接管的分析设计方法 4.1 适用范围适用范围 4.2 设计准则设计准则4.3 计算步骤计算步骤4.4 设计方法设计方法五五 JB 4732 与与 PD 5500 比较比较31 1概述概述1 1 现有的常规设计方法现有的常规设计方法2 2 我国我国JB4732JB4732分析设计

3、方法的适用范围分析设计方法的适用范围适用范围适用范围GB 150Di 1500mm, d Di/2，且且d 520mmDi 1500mm, d Di/3，且且d 2.2 Sm四四我国规范我国规范JB4732JB4732中圆柱壳开孔接管的中圆柱壳开孔接管的分析设计方法分析设计方法 2 2 设计准则设计准则试件号试件号D/Td/Dt/Tk (m)试件号试件号D/Td/Dt/Tk (m)1-147.135.332.83-247.3191.02.861-247.160.502.664-128.3.47.442.611-347.156.672.44-228.2.47.442.981-447.1491.0

4、2.025-133.513.753.461-583.196 .665 3.035-233.546 1.84 2.292-147.216.503.035-333.528 1.25 2.702-247.213.672.705-4230.529.982.592-347.2061.02.295-527.4.50.423.612-447.270.673.056-135.63.703.262-547.2621.02.546-230.60.603.762-628.4.26.252.906-331.65.662.413-147.326.673.3521JB 4732d/D=0.110 D/T 400, 5 d

5、/t22JB 4732d/D = 0.510 D/T 19623d/D = 0.810 D/T 100JB 473224d/D = 0.810 D/T 225发展发展3456789101112246810121416et /e=0.8et /e=2.0D/e1425395677100127156189k0=0.8225345678910111223456789km0=0.81425395677100127156189225D/eet /e=2.0et /e=0.825四四我国规范我国规范JB4732JB4732中圆柱壳开孔接管的中圆柱壳开孔接管的分析设计方法分析设计方法 3 3 应力强度应力强

6、度计算步骤计算步骤1 计算圆柱壳与接管中面直径计算圆柱壳与接管中面直径D, dD = Di+e , d = d0-et2 计算计算0, ,et/e3由由0, ,et/e查曲线图组查曲线图组J-2, 得得K(m) 和和K4计算计算 S=K(m) pD/2 e, S = =KpD/2 e5 校核校核 S2.2Sm S2.6Sm261确定壳体计算厚度确定壳体计算厚度2 给定壳体实际厚度给定壳体实际厚度 e ,计算计算 = = d /(DT)1/2 。针对不满针对不满足校核条件的足校核条件的S（或（或S）, 用加厚用加厚 et 的方法使强的方法使强度满足。度满足。计算计算四四我国规范我国规范JB473

7、2JB4732中圆柱壳开孔接管的中圆柱壳开孔接管的分析设计方法分析设计方法 4 4 设计方法设计方法mSpD2emK2 . 2或或eK6 . 2emeeIVmKSpRKpRKSS 6 . 2273 3 在曲线图组在曲线图组J-2J-2中，在开孔中，在开孔率率0=d/D的曲线纵坐标的曲线纵坐标Km（或（或K）上找值，过此点沿水）上找值，过此点沿水平线向右移与对应的平线向右移与对应的 值垂线值垂线相交，由交点读得该族曲线参相交，由交点读得该族曲线参数数et/e值，遇中间值内插。值，遇中间值内插。4 4 以以 et/e比例增加接管厚度。比例增加接管厚度。四四我国规范我国规范JB4732JB4732中

8、圆柱壳开孔接管的中圆柱壳开孔接管的分析设计方法分析设计方法 4 4 设计方法设计方法285 在第三步中，如果交点在第三步中，如果交点超出了超出了et/e曲线族的范曲线族的范围（即围（即et/e超出了超出了J1条条第第7项所规定的取值范项所规定的取值范围），不允许外延取值，围），不允许外延取值，则应考虑直接增加壳体厚则应考虑直接增加壳体厚度度e，再以，再以J3条步骤重新条步骤重新计算，直到满足校核条件。计算，直到满足校核条件。四四我国规范我国规范JB4732JB4732中圆柱壳开孔接管的中圆柱壳开孔接管的分析设计方法分析设计方法 4 4 设计方法设计方法29五五 JB 4732 与与 PD 55

9、00 比较比较 30五五 JB 4732 与与 PD 5500 比较比较 31定义：定义：h =T/T0 , g =T/T0六六 理论分析方法在理论分析方法在 今后的今后的GB150中应用中应用32六六 理论分析方法在理论分析方法在 今后的今后的GB150中应用中应用定义：定义：h =T/T0 , g =T/T033七七 支管受外载荷工况支管受外载荷工况 z r x o R y lb 2L Pxb Pzb Pyb Mxb Myb Mzb T t p n7 种外载种外载: 内压内压 pn3 种支管作用力种支管作用力 Pzb, Pxb, Pybn3 种支管作用力矩种支管作用力矩 Mxb, Myb,

10、 Mzbn3个基本几何参数个基本几何参数rDRT 0/r R / t T 34设计方法设计方法WRC B. 107 WRC B. 297 适用范围适用范围d/D 0.070.5710 D/T 600 2.0-2.5 d/D 0.5 5t/T 2 支管支管载荷载荷有应力集中系数曲有应力集中系数曲线线无应力集中系数曲无应力集中系数曲线线Pzb,Mxb, MybMzb, Pxb, PybPzb,Mxb, MybMzb, Pxb, Pyb内压内压无应力集中系数曲线无应力集中系数曲线无应力集中系数曲线无应力集中系数曲线35-1001020304050607080901000102030405060708

11、090max/0 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管内壁(有限元)zyoxPzbPzbL/2PzbL/2Pzb/2Pzb/2zyoxPxbPxblbPxb/2Pxb/2PxbR/2PxbR/2-100102030405060708090100-101234567 max/0 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管内壁(有限元)36-100102030405060708090100-

12、2.50.02.55.07.510.012.515.017.520.022.525.0max/0 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管内壁(有限元)PybR/2PybzyoxPyblbPybR/2Pyb/2PybL/2PybL/2Pyb/2-100102030405060708090100-202468101214 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管内壁(有限元)max/0Mzb

13、Mzb/2zyoxMzb/237MxbzyoxMxb/2Mxb/2-100102030405060708090100-100102030405060708090max/0 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管内壁(有限元)MybMyb/2zyoxMyb/2-100102030405060708090100024681012141618max/0 主壳外壁(理论解) 主壳内壁(理论解) 支管外壁(理论解) 支管内壁(理论解) 主壳外壁(有限元) 主壳内壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管

14、内壁(有限元)38组合载荷作用下圆柱壳开孔接管的应力分析方法组合载荷作用下圆柱壳开孔接管的应力分析方法 z r x o R y lb 2L Pxb Pzb Pyb Mxb Myb Mzb 0 180 90 类似于类似于WRC 107框架框架支管外载向主壳与支管交支管外载向主壳与支管交界线支管中心点简化，得界线支管中心点简化，得到到3个外力、个外力、3个外力矩个外力矩校核校核0 ,90 , 180 ,270 处内处内外壁外壁8个点的应力强度个点的应力强度利用理论解得到一系列无利用理论解得到一系列无量纲内力素曲线量纲内力素曲线,包括：包括：正应力：正应力：T , M ,T , M 剪应力：剪应力：

15、T , M对于不同的外载荷选择不同基准应力对于不同的外载荷选择不同基准应力39载荷载荷曲线曲线应力值应力值0 外外0 内内180 外外180 内内90 外外90 内内270 外外270 内内pT /pR +p6M /pRT +-+-+-+-PzbT / +Pzb6M / +-+-+-+-PybT /0000+-Pyb6M /0000-+-PxbT /-+0000Pxb6M /-+-0000MxbT /0000+-Mxb6M /0000+-+MybT /-+0000Myb6M /-+-0000一次加二次正应力一次加二次正应力2zbPr ybPr ybP Tr xbPr xbP Tr 2xbMr

16、2ybM Tr 2zbP Tr 2ybMr 2xbM Tr mpRkT ()bpRkT ( )2zbPrT mk ()ybPrT mk ()bk ( )ybPrT xbPrT mk ()2xbMr T mk ()2ybMr T mk ()bk ( )xbPrT bk ( )2ybMr T bk ( )2zbPrT bk ( )2xbMr T 400.10.20.30.40.50.60.70.80.9-1.5-1.0-0.50.00.5600400500300200100500.05 /T0 0 p 90, t/T=1.0200.10.20.30.40.50.60.70.80.901234567

17、8960050040030020010050p 0, t/T=1.0 0 /M00.05200.10.20.30.40.50.60.70.80.91234567D/T=600 500 400300200D/T=10050 D/T=20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 350 400 450 500 550 600 650p 0, t/T=1.00.05 / T0 020内压内压 p 作用下的无量纲内力素作用下的无量纲内力素(1) “应力指数法应力指数法”只适只适用于小开孔用于小开孔(2) 0 处处无量纲正应力随无量纲正应力随 0, D/T 增加而加大增加而加大(3) 大开孔时大开孔时90 处可能处可能出现压缩薄膜应力出现压缩薄膜应力41思考题思考题1JB4732 中圆柱壳