圆柱壳接管开孔结构外压稳定性有限元分析

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外压容器广泛应用于各行各业,有别于内压容器的强度破坏,失稳失效是外压容器的主要破坏形式。GB150规则设计中仅对不开孔壳体提供了许用外压力的计算曲线图,对于圆柱壳接管结构,只能采用半面积补强法进行补强计算。本文采用有限元法对圆柱壳接管开孔结构外压承载能力进行系统研究。  本文研究内容及研究成果如下:  (1)分析讨论采用ANSYS特征值和屈曲分析法确定外压圆柱壳临界压力可行性和可靠性,分析结果与相关理论公式进行比较。结果表明:特征值法临界压力值均大于非线性分析临界压力值,厚壁容器时二者结果相差尤为显著;固支边界条件下的临界压力均高于简支边界条件下的临界压力,简支条件下基于屈曲分析得到的圆柱壳临界压力与GB150图算法折算而得的临界压力较为一致,由此验证了本文分析方法的可行性。  (2)分析正交接管壳体壁厚比对圆柱壳接管结构临界压力的影响,研究结果表明:接管对外压圆柱壳承载能力有明显的加强作用,当接管壁厚增至一定程度后,加强作用不显著,此结果与文献试验结果一致。进一步运用正交试验方法,分析讨论径厚比Do/δe、长径比L/Do、接管筒体壁厚比δet/δe以及开孔率d/D对临界压力Pcr的影响。研究结果表明:本文计算参数范围内,临界压力敏感性因子按强弱排序为:Do/δe>L/Do>d/D>δet/δe。圆柱壳正交接管失稳临界压力仍主要取决于壳体结构的设计参数。对临界压力进行回归分析,得到了一定参数范围内的临界压力回归方程。回归方程有待进行更多的试验验证,为工程应用提供参考。  (3)以外压下圆柱壳斜接管结构为研究对象,分析讨论简体径厚比Do/δe、长径比L/Do、开孔率d/D、壁厚比δet/δe和倾角α对外压承载能力的影响。研究结果表明:斜接管结构临界压力Pcr与Do/δe,L/Do的影响与正交接管结构规律相同;临界压力与d/D,δet/δe及倾角α之间存在交互影响。接管倾斜角度越大,接管壁厚比的增强效应越为显著;不同接管壁厚比时临界压力随倾角变化规律呈现不同的趋势,薄壁轴向斜接管模型的外压承载能力低于正交接管模型,厚壁轴向斜接管模型的外压承载能力高于正交接管模型;进一步研究发现当接管壁厚比δet/δe≥1时,斜接管结构的临界压力不仅高于正交接管结构的临界压力,甚至大于未开孔简体的临界压力,此时斜接管的Pcr随着开孔率的增大而增大,与正交接管规律不同。  本文研究结果为外压圆柱壳接管开孔结构稳定性分析提供借鉴。
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