局部应力计算超界怎么办

Es前缘

                                                                                                    超界=不安全？
经常遇到设计人员算局部应力的时候，看到软件提示超界无法计算，就说计算不合格。
前几天遇到设计人员对于一个压力比较低，介质也没有危害的设备采用锻管，而且锻管厚度只比采用钢管厚多2mm。
我给的修改意见是改为补强圈。
设计人员说，补强圈早就试过了，不合格！
我感觉很纳闷，一般补强圈对于局部应力来说效果比锻管要好，为什么加了补强圈局部应力反而不合格。
我过去看程序，SW6的提示是厚度比超界，查不到曲线，无法计算。
其实并不是不合格，而是超界。
超界和不安全是两个概念。
超界是无法满足计算的一些假设条件，从而无法适用现有的计算模型。
不安全是满足现有的计算模型，但是计算不通过。
超界和安不安全是没有关系的，无法计算不代表不安全。
超界的快速评估方法
当几何尺寸超界时，SW6会提示超界，然后无法计算获得结果。而且SW6的限制比国外的PVElite要多，因为SW6未考虑WRC537，不能采用拟合公式拓展应用范围，所以特别容易超界。
一些工程师在国标设计时，遇到超界的载荷，笃定只认SW6的某一种局部载荷计算方法，比如WRC107,297或者“CSCBPV-TD001-2013 内压与支管外载作用下圆柱壳开孔应力分析方法”，当无法满足时，就必须应力分析，其余方法一律不认。

当然不可否认，很严谨。但是严谨是一回事，是不是符合工程实际，是不是合理又是另一回事。
工程中有很多是无法精确计算或者是精确计算需要耗时较多不经济的情况。
那么有没有方法在无法计算的时候，不用有限元分析来确定是否结构承载能力足够呢？
答案是肯定的，如果计算时超界可以考虑如下6种方法使得模型“入界”，再评估是否安全。
1.加补强圈。当筒体与接管厚度相差较多时，通过增加补强圈使两者厚度接近，可以不用标准补强圈，厚度也可以按照需要调整。
2.减薄接管厚度。接管厚度太厚，无法计算，可以通过减薄接管厚度的方法得到保守解。
3. WRC297无法计算可以使用WRC107计算，WRC107在接管壁厚大于筒体时，一般最大应力都在筒体上。
4.减少接管直径。接管直径越大，能承受的外载越大，如果小尺寸的接管能承受A载荷，那么大尺寸的接管也能承受A载荷。
5.用PVElite来核算一下是否通过，余量有多少。因为PVElite计算局部的结构尺寸WRC107超界时，仍然WRC537继续计算，使用的是延长线和拟合公式的值。对于判断趋势是有参考价值的。
6.最后可以考虑加厚筒节的方法使结果通过。
上面的那台设备加补强圈计算超界，如何解决的呢？
因为WRC297需要接管和筒体的厚度在一定的范围内。由于补强采用标准补强圈，厚度与筒体相同，导致筒体+补强圈的有效厚度，大于接管有效厚度的2倍，使得计算超界。
经过调整，补强圈采用标准外径，厚度为3mm时，计算通过，打印出计算书来看，接管根部筒体和接管连接处的应力都非常低，所以加补强圈是完全安全可靠的。
而使用锻件时的应力，在筒体处的最大应力已经接近3倍许用应力，裕量非常小。
所以采用补强圈不但能够大大缓解局部应力，对制造的便利，成本的节省都有好处。
此处用锻件，除了满足心里的软件计算合格，对于设计协调，实际安全，制造和成本上，都是比不过补强圈的。

案例
某项目的固定管板换热器，管箱管口T1，T2开孔较大，而且作为进出口管口载荷也比较大。


设备尺寸详图如下图

管箱设计压力：60.5Barg，设计温度85°C，MAWP63.9Barg，腐蚀裕量3mm。筒体：ID330.2*16 材料：SA-516 70N
接管锻件：OD258/ID182， 材料：SA-105N
Ro=258/2=129；Rm=330.2/2+3+13/2=174.6
Ro/Rm=129/174.6=0.7388，超过了WRC107的限制（WRC107/537的开孔直径范围为当接管开孔外直径/筒体中径应在0.0571~0.571之间）
在PVElite运行后，发现其局部应力计算结果出现红色警告。

PVElite里，虽然超界，但是会给出提示，然后由用户判断。
那么这个结果可信还是不可信呢？

这台设备对照上面6条，我们发现第4条，最合适估计此载荷下，结构是否安全。
将接管外径改为174.6*0.571=199.3，所以我们可以将接管外径改为198以及其它一系列尺寸对比，代入PVElite中进行试算，其评定为实际应力与许用应力比值。
外径198188178168158148评定0.7830.8220.8640.9120.9681.040
从上表可以看出从符合标准的尺寸来看，相同的厚度的接管，其外径越小承载能力越小。那么我们可以合理的猜测，外径258的尺寸应该是安全的。
有限元验证
我们代入PVElite计算，得到超界后的计算结果是合格的。
如果不放心，可以进行局部应力分析。



模型建立


局部载荷施加

应力分布



应力云图分布
应力评定：

一般局部薄膜应力按照1.5S，局部薄膜+弯曲应力按照3S
但是根据GB150.3 第 6.6.2.1可以按照
局部薄膜应力≤2.2S
膜+弯≤2.6S


分析结果评定
1. 最大点出现在周向方向，邻近CL/CU点。
2. Cl处,线性化后膜+弯为400.3Mpa<413.7MPa，合格
3. 6条路径线性化后合格。
分析结果与WRC107/WRC297对比：
1. 最大点出现位置类似，CL点处。
2. 按照第3点，接管壁厚远大于筒体时，最大应力点在筒体上，分析结果也验证了这一点。
3. WRC107计算的膜+弯曲应力为275.1MPa。远小于分析设计的400.3MPa。大开孔的WRC的结果与有限元结果还是有区别的，当为大开孔时，内压产生的弯曲应力非常大，它和接管载荷的弯曲应力叠加，会导致WRC107的结果不是很保守。所以大开孔的管口载荷分析，完全采用WRC107是不保守的。可以采用清华分析法来核算一下。
4. 如果开孔率不大，采用WRC107/WRC297配合上面的6条经验，能够解决大部分的工程问题。

总结
1. 局部应力计算经常出现超界，对于超界的情况，先不要着急应力分析，优先采用如下思路：
出现超界情况->分析原因，试算使之“入界”->按照上述6种方法，保守估计快速确定合理尺寸->考虑是否有必要采取别的方法验证（如有限元）
2. 对于管口载荷的有限元分析是否一定需要用实体单元，可否采用shell单元，大大降低计算量级，迅速获得工程上可以接受的结果。

由于shell单元对于开孔，各种类型的，垂直，倾斜，带补强不带补强的接管的可以用一个APDL程序实现，也可以用其它程序实现APDL程序的自动输出，并套用计算书模板，达到迅速得到结果的目的。
常规计算配合shell的分析结果，可以解决95%的开口补强以及管口载荷的争议。


3. 设备的管口载荷表一般不是一个精确的值，而是为了项目顺利进行与管道应力专业的一个协调表格。遇到温度，压力不苛刻的工况，建议不必纠结究竟哪种方法更准确。



以上内容转载自公众号:压力容器唯心不易
               

WASPCN

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阿谢克那·李

局部应力计算超界怎么办
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(出处: ASME中国制造)
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mueller

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