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1. 研究目的与意义

为了满足工艺过程的要求，压力容器需要开孔接管，但是造成开孔接管区的应力状态非常复杂，成为压力容器的高应力区之一。带有接管的椭圆形封头结构是压力容器的一种典型结构，使用性和安全性很重要。椭圆封头开孔接管结构不连续引起的弯曲应力是一次应力和二次应力，但将弯曲应力处理为一次应力则过于保守，失去应力分析的意义；若全部处理为二次应力又不安全。接管的存在造成了开孔边缘的应力集中，削弱了封头结构的强度。按照常规设计方法进行内压容器设计时，无法通过简单公式计算出外力对接管连接部位的应力影响,因此只能采取提高连接部位结构强度的方法。针对这一情况,本文采用有限元分析技术，借助于ANSYS有限元分析软件对受压封头结构进行详细计算，能真实、直观地反映了封头整体和局部各点处的变形、应力强度大小及应力变化状况，并对其计算结果进行了评定。

工程计算中，由于传统的计算方法不但经常因人为运算疏忽造成错误，而且在模型处理上容易将几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果往往与实际不符，故而缺乏参考价值。有限单元法正是基于工程的实际需要而产生的，有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益。而参数化设计技术是计算机辅助设计领域的一个重要研究内容，采用这种设计方法，可以决速有效地进行产品开发。在有限元的应用领域，参数化技术的使用是局部的、有限的，当前多数的应用都集中在有限元建模领域，主要的应用方向为用参数化技术解决形状优化中设计模型的自动生成问题。

2. 国内外研究现状分析

随着化学工业和石油化工等工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，容量不断增大，有些还要求耐介质腐蚀，其在化工生产中的地位越来越重要。为了满足操作工艺的要求,化工容器不可避免的要在容器的筒体或封头上开孔并连接接管，这对容器壳体的应力分布与强度都有显著的影响，这些影响因素均会使容器壳体开孔接管部位的应力突增，在接管连接部位形成高应力区。椭圆形封头，尤其是标准椭圆形封头，是化工设备中应用较为普遍的一种封头，由于椭圆形封头在内压力作用下壳体的应力是非均匀分布的，所以在开孔后的应力分布情况更为复杂，使容器壳体接管部位成为容器强度的薄弱部位。因此，在化工容器设计中，对开孔接管问题，一方面是研究开孔接管处的应力分布情况和应力集中程度；另一方面是研究接管连接部位的加强结构，以便在强度上使容器壳体因开孔受到的削弱得到合理的补强。关于容器筒体或封头上接管处的应力分析和应力集中程度的研究，国内外学者作了大量的工作，取得了不少成果，而且许多研究成果已成功地应用于容器的设计规范中，但是，由于结构的复杂性和寻求解析解的困难性，目前对容器壳体上接管部位的研究和取得的成果多集中在径向或中心接管结构上，而对于容器壳体特殊方位上的接管研究较少，特别是对容器封头上连接水平切向接管结构的研究未见报道，使该类接管结构的工程设计缺少计算依据。

近年来，国内外的许多专家和学者对开孔－接管结构进行了大量的理论分析及实验研究工作。bijjlaard1955年最先提出了关于圆筒形容器在接管外载荷作用下所产生的局部应力的计算方法。mokhtarian报道了关于两个截交圆筒在内压作用下的应力计算方法。khan等人提出了在接管力矩作用下开孔－接管区应力分析的结果。美国焊接研究委员会公报wrcno.107详细介绍了容器上局部载荷引起的局部应力的计算方法。六七十年代薄壳圆筒接管问题再次又成为应力分析工作者的热门课题，其中最有影响的是a．e．eringen和a．k．naghdi，p．vndyke及荷兰j．g．lekkerker的分析研究工作，得到了令人满意的数值解。为避免鲁里叶解的限制，他们都使用了不同的数学处理，eringel把应力函数表示成傅里叶(fourier)级数，在求解中使用了最小二乘方方法，vandyke使用的是边界配位法，而lekkerker则是将指数写为傅里叶-贝塞尔级数，但以上解的范围仅适用于的情况。80年代，美国斯坦福大学的steele等人开发了一系列fast程序，同时结合了有限元思想，提出了分析一有限元的求解方法，他们根据lekkerker解估计出对富里叶级数展开的影响系数，再与轴对称有限元结合后进行计算。这种方法比纯分析所适应的参数范围及精度都大为提高，可适用于的情况但当开孔率较大时，steeie的解与有限元有较大的差别。zyczkowski于1990年提出了可以通过对壳体结构的参数或外形的改变进行优化而增加压力容器稳定性和安全性的问题，国内的研究者也做了大量的工作。北京石油大学的张卫义教授对内压圆柱形压力容器大开孔率开孔补强结构进行了有限元研究并给出了应力分布曲线。ringertz在1992年提出了壳体结构优化的非线性方法。其方法是通过参数优化得到带筋板的圆柱形面板和带圆孔的圆筒面板两个例子来说明的。haftka于1995年提出了连续最优标准方法的概况。他们使用了多个位移约束和多负载条件。kru~elecki在1997年确定了一个受轴向力和外部载荷的圆柱壳的最佳尺寸，为了解决这个问题所用的方案都利用了壳的均匀稳定的概念。magnucki和szyc在1996年通过不断的内部压力加载确定了圆筒形壳体横截面的矩形分隔。清华大学的薛明德教授对大开孔球壳径向平齐接管的补强设计方法进行了研究。谢铁军等在其编著的《压力容器应力分布图谱》一书中收录了丰富的研究成果，其中包括封头上开孔接管的各种情况。从目前国内外对压力容器开孔接管的应力研究情况来看，虽然成果丰富，但基本上都是对壳体和接管均受内压的情况进行研究，这是由于工程上的压力容器大部分都是这种受力状态。但对一些内压容器中部分结构受外压情况研究很少。

有限单元法的基本思想早在40年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。有限单元法这一名称是1960年美国的克拉夫(clough．r．w)在一篇题为平面应力分析的有限元法论文中首先使用的。40多年来，有限单元法的应用已由弹性力学半面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、粘塑性和复合材料等，从围体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。经过40多年的发展，不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，应用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：本课题的主要任务是用数值分析的方法对椭圆形封头中心部位接管的应力做出分析。要求学生在查阅文献的基础上综述椭圆形封头中心接管的受力特点、有限元软件参数化设计的方法和国内外研究进展等。应用ANSYS软件中参数化设计模块，通过编写和VB的接口程序，对椭圆形封头中心接管应力进行参数化分析，使专业的有限元分析过程简化为在简单的界面上填写参数，完成计算，提高计算的效率。

4. 研究创新点

无