补强圈与容器壳体间的接触行为.pdf

第24卷第2期
南京T.业大学学报
Vol 24 Ng.2
202年3月
JOURNAL OF NANING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Mar.2002
补强圈与容器壳体的接触行为
王辉,桑芝富,王晓东
(1.南京工业大学机械工程学院,江苏南京21000
2.吉林石油集团责任有限公司第二钻井工程公司技术分公司,吉林松原131400)
摘要:在压力容器开孔补强的薄壳理论分析中,通常假设在补强圈与容器売体之间没有接触,其间的接触力对
于结构应力分布的意义和影响尚不清楚。由有限元分析得出的应カ分析结果,其中就包括了这种接触力。有限
元结果与试验数据的比較表明有接触假设的有限元方法,对于应力场分布能够产生更好的理论预测。同时对补
强图与容器売体之间的间隙变化影响以及不同开孔摔对接触的影响也作了探讨。
关键词:接管补强;接触;间隙;有限元
中图分类号:TBI12.5
文献标识码
文章编号:1007-75372002)02-0015-05
许多牛来,在力容器成力分析,一直沿用
在执行接触分析中,有以下因素要考虑
经典的溥売理论。在应用薄売理论对压力容器开1.1目标面和接触面的指定
孔补强所进行的分析中,结构分为接管,补强圈和
日标面或接触面的不选择可能引起穿透量
容器売体3个部分。在连接处,建立变形协调和的不同,从而影响求解精度,要遵循以下准则
平衡方,求解出连按区未知的位移和应力结果,
(1)当凸面与平面或∏血接触时,应指定平面
那么整个结构的应力,位移和转角就可以确定。或凹面为目标面
需要指出的是,在这个通用求解过程中,只有连接
(2)如果一个面上的网格较细,而另一个面上
处或焊缝相接触,而补强圈与容器壳体相对位移的?格较粗,则指定细?格所往的面为接触面,粗
和转角假设为零。当应用于容器分析时,无法预测
网格所在的面为凵标而
)焊接区的应力
(3)当两个面的刚度不同时,应当较使的面为
2)焊接补强圏与壳体间的接触行为。
目标而,较软的面为接触面;
随着有限元技术的发展,这问题都可以解
(4)如果一个面是高阶单元,而另一个面是低
决了。本文运用带接触元的有限元分析,对补强阶单元,应将高阶单元所在的面作为接触面
圈与完体间的接触行为进行了模拟,并将有限元
(5)如果两个面大小期显不同时,应将大面作
分析结某与试验数据作了比较研究
为门标面
在生成接触单元时,?格形状的质量不是重
1模拟接触行为
要的,而目标单元的形状能否完好地模拟刚性面
的几何形状显得更重要。
日前情况下,对内压作川下补圈与容器売1.2接触行为的控制
体之间有可能发生接触的区域,应用特殊的接触
ANSYS通过设置实常数和关键字米控制接触
单元是最好的建模技术。需要特別指出的是,在行为。对求解精度影响较人的一些参数是
有限元接触分析中,即使假设材料为线蝉性,数
(1)接触算法(罚函数+拉格朗日或罚函数)
分析过程也是高度非线性的
罚函数+拉格朗口(扩展的拉格朗口算法)为
*收稿日期:2001-10-11
基金项目:关国压力容器研究委员会(PVKC)资助项?
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南京
业:大学学报
第24卷
了找到精确的拉格朗日乘了而对罚函数修正项进
行反复迭代。与罚函数的算法相比,拉格明口算
35士2°
法不易引起病态条件,然而,在有些分析中,扩展
的拉格朗日算法可能需要更多的迭代,特别是变
形斤网格变得太扭出时。
(2)决定按触刚度
接触刚度比例因子在0.01~10之间。一般
应取较小值以不致引起总体刺度矩阵的病态问题
而保证收敛,但要注意同时保证接触穿透小到可
以为扩展的拉格朗凵算法所接受。
45±5°
(3)选择接触检点的位置
接触檢查点位于接触单元的积分点上,在秋积
图1焊接板补强接管的计算模型
分点上,接触单元不能穿透进入月标面,而月标面
Computal nrui moce I of welded-- reinforced morle
却可以穿透进入接触面。 ANSYS面-面接触单元
使川 GAUSS积分点作为缺省值. GAUSS 7积分点通
常公比 Nanton- Cotes结点积分项产生吏精确的
结粜, Newton-Coes使用结点本身作为秋利分点,仅
适用于角接触问题。
(4)决定接触状态和 Pinball区域
接触単元?对于日标面的运动和位置決定了
接触单元的状态。当目标而进入 Pinball E区域后,
接触单元就被当作未合的近区接触. Pinball区域
是以接触单元的积分点为中心,以4倍变形体単
元厚度为半径的圆(二维)或球(二维),要保证
Pinball I区域足够大以精确捕捉接触行为。
图2有限元网格图
2开孔补强的结构型式
Fig 2 Finite elemen mes
就所分析的对象而言,刈接管补弘区的应
力场和承载能力感兴趣。所以在建模时,取实际
其结构型式及详细尺」见图1。补蝨圈的外
径为2倍的接管外径,厚度与筒体厚度相同,这与结构的四分之一,在対称而上加:相应的约束条
件。这样既节省了机时,简化了模型,又不影响
工程上通常所采用的结构尺寸?样。坐标原点O
点为容器壳体与接管屮线交点.X轴沿接管轴向
算结果。为了获得接管补强区完整而精确的应力
S沿売体轴向。材料为Q235-A,载荷及几何尺
场,以便进行相应的接触力以及极限载荷的分析
和评定,本文采用了8结点SOLI45三维实体单
」如下
内压P
按管内径4
元米模拟只实体结构。可能的接触面,即容器売
弾性模气E
1×105MPa简体内径D
600 mm
体外表面与补弘圏内表面,用4结点12自由度的
松比μ
简体壁厚T
而对面三维接触单元 Ttarget170和 Contact173来
屈服应力0、=39.4MPa补张圏外径d
)46 mm
模拟按触行为
接管外径d。=273mm
补圈厚度=6mm
网格采用映射网格划分.以准确搾制网格密
建模与有限元网格划分
度.既避免远离结构不连续区过密而延长运行时
?,又避免感兴趣的接管补弘区?格过丁稀
而増大山于网格离散所引起的误差。在具有应力
分析所用的有限元网格图见图2。
集中特性的相贯区细化?格,问吋为精确捕捉补
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