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在圓柱殼上開大孔直接焊接接管是壓力容器設(shè)計的一種常見結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力計算和強(qiáng)度評定有不少報道，但對于在圓筒上翻邊預(yù)開孔焊接支管且開孔率大于0.5的應(yīng)力強(qiáng)度分析和評定的文獻(xiàn)報道尚不多見。在高壓斷路器殼體的設(shè)計中，考慮殼體內(nèi)壁表面狀況直接影響，設(shè)備內(nèi)部電場的均勻及為了消除尖角放電等現(xiàn)象，采用了開孔比為0.9的這種結(jié)構(gòu)。殼體在使用中充裝絕緣介質(zhì)六氟化硫氣體起到滅弧作用，壓力為0.3~0.8MP。該類產(chǎn)品符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第2款，為規(guī)定的第一類壓力容器。由于這種大開孔殼體的強(qiáng)度計算超出了目前所查到規(guī)范的限制，尚無完全適用的設(shè)計規(guī)范可循，因而設(shè)備的設(shè)計在很大程度上依賴于工程經(jīng)驗。首先用試驗方法進(jìn)行了實際模型的應(yīng)力測試，在此基礎(chǔ)上運用ANSYS軟件對殼體強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析模擬，得到了接管關(guān)鍵部位詳盡的應(yīng)力場和最大應(yīng)力發(fā)生部位，并依據(jù)分析設(shè)計原理，對有限元結(jié)果進(jìn)行了線性化處理，按照J(rèn)B4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行強(qiáng)度評定，為該設(shè)備的安全運行提供了必要的理論依據(jù)。
試驗地點在某高壓電器公司，應(yīng)變片測試的位置如圖所示。由于殼體的對稱性，故測點主要布置在試件的一側(cè)。沿3個截面布片，縱向?qū)ΨQ平面截面，相貫線截面，聯(lián)向?qū)ΨQ平面截面，并在應(yīng)力大的根部邊緣多布片。對于已知主應(yīng)力的測點，采用0-90加二向應(yīng)變片。對于主應(yīng)力方向不清楚點，采用三向應(yīng)變，總共有26個測點根部，測點的應(yīng)變片布置見圖。為了消除應(yīng)變的滯后現(xiàn)象，在應(yīng)力測試前將壓力從0緩慢升壓至1.2MPa二次，再卸壓，同時將應(yīng)變儀調(diào)零。然后將試驗壓力從0緩慢增加到最高測試壓力，在升壓過程中記錄下從0.0.0.5.1.0.1.5.20.25.3.0.3.5.4.0MPa(目的為找到殼體出現(xiàn)初始屈服壓力的值)的各級應(yīng)變值。取各測點各次實測應(yīng)變值，用相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變公式，進(jìn)行應(yīng)力計算，得到各測點在不同壓力下的Von Mises應(yīng)力。由計算結(jié)果得知，各點應(yīng)力測試數(shù)據(jù)基本符合線性關(guān)系。因最高工作壓力為0.8MP，所以取對壓力容器規(guī)定的1.25倍最高工作壓力值1MPa的數(shù)據(jù)和有限元模型進(jìn)行比較。
斷路器殼體設(shè)計壓力為0.88MPa，筒體與接管的材料均為A5052合金管無在設(shè)計溫度下材料的彈性模量E=195GP，泊松比0.3，設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度48MPa。對于斷路器殼體的變截面結(jié)構(gòu)，完全按照實際尺寸建立有限元模型，需要大量的建模時間，在工程使用中具有一定困難。因此在考慮制造工藝和實際結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了一個折中簡化，壁厚尺寸分別采用相應(yīng)的公稱值和實際測量的平均壁厚。考慮到殼體結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，采用四分之一模型進(jìn)行有限元分析。有限元程序采用ANSYS軟件，單元類型選用三維8節(jié)點等參元(Brick8node45)。采用映射法自動生成網(wǎng)格，保證單元有較好的形態(tài)，網(wǎng)格劃分沿厚度方向共分兩層，沿主、支管方向也劃分較多層，并在主、支管肩部和相貫線等高應(yīng)力區(qū)采用加密網(wǎng)格，以保證高應(yīng)力區(qū)有較高計算精度。整個殼體共劃分345葉單元，7920個節(jié)點。有限元模型如圖所示。在圖所示的有限元模型中，對大徑截面A約束x方向位移，對小徑圓筒截面B約束z方向位移，在對稱面C上施加x方向的對稱約束，在對稱面D和E上施加Y方向的對稱約束。在殼體內(nèi)表面分別施加0.88.1.00.200.3.00.4.00MPa的內(nèi)壓，用上述計算模型進(jìn)行計算。
將1MPa內(nèi)壓下縱向外截面、橫向外截面的試驗應(yīng)力值與有限元計算結(jié)果比較列于圖，由圖可見，有限元結(jié)果與試驗值較為吻合，應(yīng)力分布形態(tài)基本一致，最大誤差不超過12。由此表明，外壁應(yīng)力最大點均發(fā)生在腹部區(qū)，這種情況與實際相符，證明有限元計算模型是正確的，可以根據(jù)此模型進(jìn)行全面的應(yīng)力分布研究。
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