压力容器广泛应用于石油化工、电力、食品医药、科研军工等领域，在介质的反应、换热、分离、储运过程中发挥着重要的作用.在内压容器上，由于工艺或结构的要求，需要在压力容器上开孔并安装接管，如人孔、手孔、窥视孔、介质进出孔等［1］.容器开孔后，由于其结构连续性的破坏，使其开孔边缘产生很高的局部应力，为降低开孔边缘的应力，应在开孔边缘处进行补强［2-3］.压力容器开孔接管区的高应力具有局部性的特点，所以开孔补强设计一般采用在有效的补强范围内适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值［4］.

压力容器筒体上大开孔补强是压力容器设计的关键［5］，大开孔补强设计制造难度大，安全性要求高.国内外学者采用有限元计算或结合实验手段在大开孔接管应力分析问题方面做了大量的工作［6-11］.张卫义等［12］对内压作用下柱壳开孔补强用三维有限元和实验分析方法做了较为系统的研究，计算了开孔区的应力集中系数，绘制了应力集中系数曲线；崔建华［13］对接管区进行了模拟试板有限元的应力分析；贺超等［14］对石油化工装置中的常压塔封头接管区的应力进行了有限元分析，发现开孔接管区是塔设备承受较大应力的部位，在设备长期运行过程中，有可能发生疲劳断裂或者失效；林杨杰等［15］应用WRC 107和WRC 297公报中提供的方法，对13组不同结构尺寸的带接管轴向力的开孔接管处的局部应力进行了分析比较.

本文以承受内压圆柱壳体径向开孔接管结构为研究对象，采用有限元法分析开孔接管区的应力分布规律，计算应力集中系数，并对不同补强结构的补强效果进行比较.

总而言之，作为一个理学家，董玘虽未能开辟新境，但也无凌虚蹈空之论，而力求平实妥帖，不为异说以惑世。因此，综上所述，笔者认为董玘是一个虽然有点固执木讷但却是坚持原则的纯粹而不驳杂的儒者。

1 模型建立与网格划分

压力容器开孔接管处结构是对称的，因此取开孔接管的1/2来进行建模，筒体长度及接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度［16］.模拟中采用平齐式接管，开孔接管补强的几何尺寸如表1所示，几何模型如图1所示.

 

表1 几何尺寸Tab.1 Geometry dimensionsmm

  

名称内径外径壁厚筒体700 716 8接管143/257 159/273 8补强圈143/257 163/277 10厚壁接管143/257 191/313 24/28

  

图1 几何模型Fig.1 Geometric models

2）忽略液体静压力的影响，仅考虑受均匀内压的影响，将轴向内压载荷折算为作用在筒体和接管自由端面上的均布拉伸载荷［21］.筒体端面施加轴向平衡面等效载荷PC，接管端部施加纵向平衡面等效载荷PN，筒体和接管内表面施加内压Pi=3.0 MPa.PC和PN的计算公式如下：

2 施加载荷及边界条件

1）在对称面施加对称约束，在接管端部施加轴向位移约束，为了防止整个结构发生轴向位移，在筒体端面施加轴向位移约束即沿轴向的位移为零［19-20］.

总之，随着信息时代的发展，社会对于人们的专业素质、专业知识和专业能力要求日益提高，新知识、新技术、新规范、新理念层出不穷，各个专业既高度分化又日趋综合。面对时代的挑战，高校教育唯有强化通识基础，融合不同专业知识，才能培养出高规格的创新型人才。

采用六面体三维实体单元进行网格划分，网格划分时采用映射剖分技术控制网格密度，靠近壳体与接管相贯区域网格的密度较大，因为此区域结构不连续，发生应力集中且应力分布极其复杂，细化网格以提高有限元分析的精度［17-18］.远离壳体与接管相贯区的其他区域采用稀疏的单元网格划分，以节省计算资源.

 

3.2.2 开孔接管结构与厚壁接管补强结构的比较 筒体直径Di=700 mm，接管直径di=143 mm时，开孔接管结构与厚壁接管补强结构的应力分布如图4所示.由图4可知，开孔接管区经厚壁接管补强后最大应力显著降低，由449.30 MPa降低到304.98 MPa.由表3可知，最大应力集中处的应力集中系数也明显降低，由3.42降低到2.32.所以厚壁接管对开孔区域有明显的补强效果，能极大地改善应力集中，提高压力容器的极限承载能力.

3.2.1 开孔接管结构与补强圈补强结构的比较 筒体直径Di=700 mm，接管直径di=143 mm时，开孔接管结构与补强圈补强结构的应力分布如图3所示.由图3可知，开孔接管区经补强圈补强后最大应力明显降低，由449.30 MPa降低到273.56 MPa，最大应力集中处的应力集中系数也明显降低，由3.42降低到2.08，如表2所示.所以采用补强圈对开孔接管区补强有着明显的补强效果，在一定条件下能有效地避免壳体因开孔强度削弱而产生的强度破坏.

3 结果与讨论

3.1 开孔接管区的应力分析

萍萍重新坐到椅子上，我喝着水说：“以前我每次来你们家，都会碰上沈天祥他们，碰不上他们三个人，最少也能碰上他们中的一个，今天他们一个都没来，连林孟也不在家，只有我们两个人，你又是一个很少说话的人……”

  

图2 开孔接管区的应力分布Fig.2 Stress distribution in connecting zone of nozzle

3.2 补强效果的对比分析

3) 当政策模糊性高、冲突程度低的情况下，选用试验性实行。 依照Matland的观点，该模式的支配要素是“情境”，情境是由政策对象中资源和参与者的数量决定的，不同的情境决定了政策的实行效果不同。 这里特别强调了政策实行中的“试验性”。

筒体直径Di=700 mm，接管直径di=143 mm时，开孔接管区的应力分布如图2所示.由图2可知，在三种情况下，筒体与接管连接的不连续区域均产生明显的应力集中现象，应力在开孔接管区域分布不均匀.而远离开孔接管区域结构是连续的，应力分布比较均匀，且应力增加的幅度远远小于开孔接管区.开孔接管区是高应力分布区，应力梯度变化明显，应力最大值发生在压力容器筒体与接管连接处纵向对称截面的内角点，在内表面的左右两侧且呈对称分布，应力最大值达到容器壁基本应力的数倍以上.应力集中虽然只发生在开孔边缘附近，具有局部性，但很高的局部应力再加上外载荷产生的一次薄膜应力、二次热应力，以及加工制造引起的缺陷等各种因素的综合作用，使压力容器开孔接管区域极易发生强度破坏.

  

图3 开孔接管结构与补强圈补强结构的应力分析比较Fig.3 Comparison of stress analysis between the nozzle and the reinforcing ring

式中：P为设计压力，MPa；Di为压力容器筒体或接管的内径，mm；T为压力容器筒体或接管的壁厚，mm.

3.2.3 补强圈补强结构与厚壁接管补强结构的比较 筒体直径Di=700 mm，接管直径di=143 mm和di=257 mm时，补强圈补强结构与厚壁接管补强结构的应力分布如图5、6所示，应力集中系数如表4所示.由图5、6可知，两种补强方式均能够降低开孔区域的最大应力及应力集中系数，都能改善孔边的应力集中.按照等面积补强法，当接管内径为143 mm时，采用补强圈补强结构时开孔处最大应力为273.56 MPa，应力集中系数为2.08；采用厚壁接管补强结构时开孔处最大应力为304.98 MPa，应力集中系数为2.32.由此可得，从减小开孔处最大应力的角度分析，补强圈补强效果优于厚壁接管补强.当接管内径为257 mm时，采用补强圈补强结构时开孔处最大应力为282.16 MPa，应力集中系数为2.15；采用厚壁接管补强结构时开孔处最大应力为261.84 MPa，应力集中系数为1.99.由此可得，采用厚壁接管补强效果明显比采用补强圈补强效果好.但在工程实际中补强圈与筒体不能完全贴合而产生附加应力，因此补强圈结构一般用在开孔相对较小，设计条件不很恶劣的场合.综合考虑，厚壁接管补强结构优于补强圈补强结构，建议在工程实际中较重要的压力容器开孔采用厚壁接管补强.

 

表2 开孔接管结构与补强圈补强结构的应力集中系数Tab.2 Stress concentration coefficients for the nozzle and the reinforcing ring

  

补强形式最大应力值σmax/MPa最大基本应力σ/MPa应力集中系数K开孔接管449.30 131.25 3.42补强圈补强273.56 131.25 2.08

  

图4 开孔接管结构与厚壁接管补强结构的应力分析比较Fig.4 Comparison of stress analysis between the nozzle and the joint thick pipe

 

表3 开孔接管结构与厚壁接管补强结构的应力集中系数Tab.3 Stress concentration coefficients for the nozzle and the joint thick pipe

  

补强形式最大应力值σmax/MPa最大基本应力σ/MPa应力集中系数K开孔接管449.30 131.25 3.42厚壁接管补强304.98 131.25 2.32

  

图5 补强圈补强结构与厚壁接管补强结构的应力分析比较（di=143 mm）Fig.5 Comparison of stress analysis between the reinforcing ring and the joint thick pipe（di=143 mm）

  

图6 补强圈补强结构与厚壁接管补强结构的应力分析比较（di=257 mm）Fig.6 Comparison of stress analysis between the reinforcing ring and the joint thick pipe（di=257 mm）

 

表4 补强圈补强结构与厚壁接管补强结构的应力集中系数Tab.4 Stress concentration coefficients for the reinforcing ring and the joint thick pipe

  

补强形式最大应力值σmax/MPa最大基本应力σ/MPa应力集中系数K di=143 mm di=257 mm补强圈补强273.56 131.25 2.08厚壁接管补强304.98 131.25 2.32补强圈补强282.16 131.25 2.15厚壁接管补强261.84 131.25 1.99

4 结论

1）开孔接管最大应力发生在压力容器筒体与接管连接处纵向对称截面的内角点，在内表面的左右两侧且呈对称分布.

2）采用补强圈补强与厚壁接管补强均能降低开孔部位的最大应力及应力集中系数，在一定条件下能有效地避免壳体因开孔强度削弱而产生的强度破坏，改善应力集中，提高压力容器的极限承载能力.

3）补强圈结构一般用在开孔相对较小，设计条件不很恶劣的场合.随着壳体上开孔的增大，厚壁接管补强结构的优势明显优于补强圈补强结构.

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