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壓力容器由于輸送燃料和制造工藝要求，通常在底上開人孔及輸送孔等。開孔后的底，因殼壁材料的削弱以及結(jié)構(gòu)連續(xù)性的破壞，在開孔附近要產(chǎn)生一個(gè)顯著的高應(yīng)力區(qū)。雖然該區(qū)域是局部的，但對(duì)底的承載能力卻有明顯的削弱作用。因此，大開孔的強(qiáng)度計(jì)算是壓力容器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。至今關(guān)于翻邊大開孔的有限元分析方法，國(guó)內(nèi)外的資料不多。蘇聯(lián)利用鐵木生柯法蘭盤計(jì)算方法計(jì)算壓力容器底部人孔法蘭盤強(qiáng)度(即開孔強(qiáng)度)。后來(lái)有人利用開孔強(qiáng)度系數(shù)來(lái)計(jì)算翻邊開孔強(qiáng)度，還有的為簡(jiǎn)化計(jì)算，把實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成直角相交結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步分析翻邊大開孔強(qiáng)度，以及分析上述計(jì)算方法及簡(jiǎn)化的合理性，作了大量計(jì)算及試驗(yàn)分析。
壓力容器球底翻邊開孔附近的幾何參數(shù)，見圖。為了計(jì)算翻邊開孔強(qiáng)度，首先要弄清開孔附近應(yīng)力分布，這是開孔強(qiáng)度計(jì)算基礎(chǔ)。有限單元、廣義位移及位移函數(shù)選擇不少作者對(duì)旋轉(zhuǎn)殼采用截錐殼單元，當(dāng)單元分得很多時(shí)，其精度較高。為了盡量縮短計(jì)算時(shí)間，單元不宜過(guò)多，使用截錐殼會(huì)引起較大誤差。為此，我們采用了曲殼單元，其外形與實(shí)際結(jié)構(gòu)更為接近，則計(jì)算結(jié)果亦將更為精確。對(duì)曲殼單元，選定曲殼中面母線的切線方向與:軸的夾角為母線長(zhǎng)S的二次函數(shù)根據(jù)克�；舴蚣僭O(shè)，曲殼單元中任意點(diǎn)的位移用中面位移及其微分項(xiàng)表示，則可得到位移—系數(shù)矩陣。由此，便可求得由廣義位移直接表示應(yīng)變和位移的矩陣。有了單元的應(yīng)變、位移特性，材料特性和載荷情況之后，對(duì)N個(gè)單元求和，便可得總的聯(lián)立方程式。由于矩陣積分一般不能精確解出，必需用數(shù)值積分來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析認(rèn)為，在近似積分中使用辛甫生三點(diǎn)擂值法為好，化時(shí)少，且具有足夠精度�？紤]到旋轉(zhuǎn)殼單元在無(wú)外載情況下可以有軸向平移。為此，對(duì)單元?jiǎng)偠染仃囅禂?shù)采取了補(bǔ)充修正的技術(shù)，使結(jié)果能更好地滿足平衡條件。利用聯(lián)立方程組求解出位移后，便可進(jìn)行單元中應(yīng)力計(jì)算。為了分析開孔強(qiáng)度，進(jìn)行了大量計(jì)算，典型的應(yīng)力分布規(guī)律見圖。由圖可知，在開孔翻邊處，環(huán)向中面應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)向中面應(yīng)力，而經(jīng)向彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)大于環(huán)向彎曲應(yīng)力。為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，作了大量試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較符合，尤其是基準(zhǔn)點(diǎn)A的應(yīng)力，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果更為接近。
在翻邊開孔強(qiáng)度分析初期，我們按國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)思想，尋找最大應(yīng)力點(diǎn)的表面最大應(yīng)力，以此作為翻邊開孔強(qiáng)度分析的基準(zhǔn)，由于該應(yīng)力很大，而且隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化沒(méi)有一定的規(guī)律性，再者，有的試件表面最大應(yīng)力比較接近，但破壞壓力相差很大。因此，無(wú)法使用最大應(yīng)力點(diǎn)的表面最大應(yīng)力來(lái)分析翻邊開孔強(qiáng)度。后來(lái)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)，提出了三點(diǎn)新看法，較好的解決了翻邊開孔的強(qiáng)度計(jì)算。在分析及計(jì)算壓力容器強(qiáng)度時(shí)，通常首先尋找結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱部位，它不但與應(yīng)力大小有關(guān)，而且還與材料及其焊縫性能有關(guān)。因此，強(qiáng)度薄弱部位并不一定出現(xiàn)在最大應(yīng)力部位，應(yīng)當(dāng)具體問(wèn)題具體分析。但是目前一些理論書籍及雜志上，往往沒(méi)有注意這一點(diǎn)，簡(jiǎn)單地認(rèn)為最大應(yīng)力部位即為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱部位。因此用大量精力去尋找最大應(yīng)力點(diǎn)的最大應(yīng)力。而實(shí)際結(jié)構(gòu)的爆破口往往不出現(xiàn)在最大應(yīng)力部位。這樣，必然導(dǎo)致理論分析與試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異。對(duì)壓力容器，只要存在焊縫，其破口一般出現(xiàn)在焊縫處，這已為大量試驗(yàn)證實(shí)。因此，本研究提出了從結(jié)構(gòu)的實(shí)際出發(fā)，尋找結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析基準(zhǔn)點(diǎn)的看法。由圖可知，翻邊開孔附近應(yīng)力分布很不均勻，因此，很自然的提出了到底以哪一點(diǎn)作為開孔強(qiáng)度分析的基準(zhǔn)點(diǎn)呢？國(guó)內(nèi)外的大量資料均以最大應(yīng)力點(diǎn)作為強(qiáng)度分析的基準(zhǔn)點(diǎn)�？墒�，由于一般材料的焊縫金屬延伸率比基本金屬小，焊縫金屬的平均拉斷應(yīng)變?yōu)榛窘饘俚?0%，而LD10焊縫金屬平均拉斷應(yīng)變僅為基本金屬50%。在受內(nèi)壓時(shí)，翻邊圓弧附近的變形不會(huì)相差很大，因此從最大應(yīng)變理論分析，翻邊開孔的破口應(yīng)出現(xiàn)在焊縫處。所以，在進(jìn)行裔邊大開孔強(qiáng)度分析時(shí)，以翻邊圓弧與理論法蘭管連接點(diǎn)A(該點(diǎn)在焊縫或焊縫熱影響區(qū))作為強(qiáng)度分析的基準(zhǔn)點(diǎn)。
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