摘 要：对于受内压模型容器筒体大开孔补强结构来说，我们应采用压力面积法和ASME法对其进行计算和分析，借助于极限分析法分别计算出它的设计载荷和极限载荷，同时采用相应的方法进行验证。在进行了深入的计算以及详细的分析后，我们发现如果采用的是压力面积法，那么弯曲应力通常都是会被忽略的，在大開孔补强设计工作中应用这一方法并不是完全可靠的。实际压力容器大开孔的补强结构必须是具有非常高的安全系数的，而在此工作中采用有限单元法和ASME法应是更加科学和合理的。
关键词：压力容器；大开孔补强；有限元分析
中图分类号： TQ05 文献标识码： A
一、强度分析计算
（一） 压力面积法。以某压力容器为例，如果在直径为800mm的壳体上开一个约为450mm的大孔，其设计规定温度应为100摄氏度，计算压力为2MPa，壳体和接管的名义厚度均为18mm，补强圈的名义厚度和外径分别为16mm和1150mm，所以的材料都是16MnR，在常温条件下，其屈服强度为325MPa，其抗拉强度为490MPa，而在设计温度下，其屈服强度则为295MPa，所以，计算出其应力强度为188MPa，压力面积法的具体计算如图1所示。
如果我们采用的是压力面积法，那么其计算的通式就为（Ap/Ao+1/2）P≤[o]，在此计算公式中，Ap和Ao分别为有效补强范围内压力的作用面积和接管、壳体以及补强材料的有效承载面积，P则为设计压力，[o]为材料的许用应力，此计算通式是根据在壳体受压面积上所形成的载荷和接管、壳体以及补强材料在有效承载面积上可以产生的整体承载能力相平衡的静力平衡条件所得到的，如上图所示，Ap和Ao都是由三部分组成的，它们的计算公式为：Ap=Rnhi+RnQ+R（Rn+Qn+b），Ao=Ao0+Ao1+Ao2=（b+Qn）Q+hiQn+（Dr/2-Qn-Rn）Qe，在这两个公式中，hi为接管上的有效补强高度，b为壳体上的有效补强宽度，那么就分别可以计算出Ap、Ao0、Ao1和Ao2，从而正经补强是符合要求的。
（二） ASME法。采用这一方法时，应按照下面的公式计算：
在此公式中，Sb=Ma/I，而M=（Rn3/6+RRne）p，其中，As为ASME计算图中的阴影区域面积，I为计算图中阴影区域面积与中性轴的惯性矩，e为图中阴影区域面积中性轴与壳壁中面的距离，Rnm为接管颈的平均半径，Rm则为壳体的平均半径。
容器壳体补强的有效宽度为120.6mm，接管外侧补强的有效高度为106.9mm，那么应力强度Sm就为172MPa，其是小于设计的应力强度的，根据上述公式还可计算出Sb为253.45MPa，两者之和为425.45MPa，其是小于1.5倍的设计应力强度的，说明其是不满足补强要求的。
二、极限载荷的有限元分析
（一） 确定有限元模型及材料性能。在极限载荷的要求下，我们应把模型的实际材料假定成理想的弹性材料和塑性材料，那么这种材料的应变和应力关系就也是理想的弹塑性状态，通常情况下，由上述的计算结果可知材料的屈服强度为295MPa，按照双线性随动强化的强化塑性模式来选取弹性段和塑性段，材料的泊松比取值为0.3，弹性模量的取值为2×105MPa。
（二） 载荷与约束条件。在有限元模型的内表面，应均匀的施加内压载荷，在接管端以及筒体的一端同时施加等效的压力，应用沿对称剖分面的对称性约束作为约束位移的条件，这样对剖分面垂直方向的自由度就起到了一定的限制作用。
（三） 确定载荷和设计载荷。进行有限元的分析工作时，我们采用的为ANSYS软件，经计算后我们得到的为大开孔补强结构承受内压的非线性解，深入的研究Von Mises弹性当量应力最大的节点，那么就可以得到弹塑性位移和内压的对应关系曲线，要想准确的确定节点的极限载荷，建议采用2倍弹性斜率法。
三、强度的校核
（一） 有限元弹性应力的分析结果。以这个有限元模型作为基础，输入相应的材料特性值，同时施加相应的边界约束条件，在采用了有限元方法进行了分析和计算后，我们得出大开孔补强结构在设计压力p为2MPa和0.9MPa下内壁和外壁面的Von Mises弹性当量应力。在分析了整个有限元模型的弹性应力的计算结果后，我们认为应力最大的位置应为筒体和接管相连的内表面根部相贯线的0度位置处。
（二） 应力的分类及强度评定。对于压力容器的大开孔补强结构来说，一次总体薄膜应力、一次弯曲应力、一次局部薄膜应力以及二次弯曲应力都会对内压作用产生影响，而设备所受到的载荷并不是周期性载荷，其对峰值应力的影响也几乎是可以忽略的。应进一步的研究有限元分析结果中弹性当量应力最大的节点，有限元危险截面的处理线就应是这一节点与内表面向垂直沿壁厚方向的直线，中性面和外表面的应力都是小于内表面的应力的，准确的处理处理线上的应力，从而计算出各类应力强度。
通过以上的论述，得出了以下结论：（1）压力面积法是一种近似的分析方法，其并没有考虑到弯曲应力这样限制因素，所以评定过程中是存在一定危险因素的，而ASME法则是在压力面积法的基础上考虑到了弯曲应力这一因素，大大的提升了计算的可靠性；（2）作为压力容器强度的一个薄弱环节，我们应充分的提升大开孔补强结构的强度可靠性，设计时，应采用多种方法对其进行验证；（3）采用有限单元法可以真实的反映出结构的应力分布情况，计算精确程度更高，并且可以应用在各种大开孔补强结构的计算工作中。
参考文献
[1]马宁.薄壁容器大开孔的新型补强结构[J].压力容器，2009.