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摘 要

本文主要围绕R-520氢化器开孔结构展开了一系列结构分析和优化。首先介绍研究的大时代背景及其研究价值，总结陈述现有开孔补强结构的常用分析方法，其次介绍了本课题的主要研究方法及思路。

首先计算出各载荷工况下R-520氢化器筒体、封头、接管等处的应力分布，再根据要求使用ANSYS建立原始模型，对R-520氢化器的开孔接管结构处进行预应力加载，再定义路径并进行线性化分析，最后根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005 确认版）对其进行强度评定。

评定结果表明接管的最大应力出现在结构不连续处。最后根据所得出的应力大小，优化产品的设计，进行了经济性分析。

关键词：氢化器 开孔补强 应力集中 分析设计 有限元

Stress analysis of hole opening structure of hydrogenator

Abstract

In this thesis, a series of structural analysis and optimization are carried out around the nozzle-vessel intersections of R-520 hydrogenator. First of all, the thesis introduced the research background and significance of this article, and the common analysis methods of the existing hole reinforcing structure are summarized and stated. Secondly, the main research methods and ideas of this topic are introduced.

Under various load cases first calculated R - 520 hydrogenator cylinder, head, taking over the place such as the stress distribution, and then according to the original model requires the use of ANSYS, the R - 520 hydrogenator opening to take over the structure of prestressed load, stress on the linear analysis, and according to JB4732-1995 "steel pressure vessel -- analysis design standard" (2005 edition) for strength assessment.

Evaluation results show that the maximum stress appears to take over at the structural discontinuity. Finally, according to the stress, the design of the product is optimized and the economy is analyzed.

Key Words: Hydrogenator; Opening reinforcement; Stress concentration; Analysis and design; Finite element

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 压力容器研究的背景及意义 1

1.2 压力容器开孔补强研究的重要性 1

1.3 对于容器开孔补强的研究 1

1.3.1 压力容器开孔后产生的应力类型 1

1.3.2 压力容器开孔补强的研究方法 2

1.4 课题思路 3

1.4.1 本课题研究的内容 3

1.4.2 采用的研究方法 3

第二章 有限元模型的建立 4

2.1 氢化器的主要参数 4

2.2 结构分析和力学模型 5

2.3 上封头及筒体开孔结构（模型1） 6

2.4 人孔接管M-1c开孔结构（模型2） 8

2.5下封头及筒体开孔结构（模型3） 9

第三章 设计载荷工况下的应力校核 11

3.1 上封头及筒体开孔结构（模型1） 11

3.1.1 接管1 13

3.1.2 接管3 14

3.1.3 接管7 15

3.1.4 接管M-1a 16

3.1.5 小结 17

3.2 人孔接管M-1c开孔结构（模型2） 17

3.2.1 人孔接管M-1c 19

3.3 下封头及筒体开孔结构（模型3） 20

3.3.1 接管2 22

3.3.2 接管10 23

3.3.3 接管H-1 24

3.3.4 小结 24

第四章 工作载荷工况下的应力校核 25

4.1 上封头及筒体开孔结构（模型1） 25

4.1.1 接管1 27

4.1.2 接管3 28

4.1.3 接管7 29

4.1.4 接管M-1a 30

4.1.5 小结 31

4.2 人孔接管M-1c开孔结构（模型2） 31

4.2.1 接管M-1c 33

4.3 下封头及筒体开孔结构（模型3） 34

4.3.1 接管2 36

4.3.2 接管10 37

4.3.3 接管H-1 38

4.3.4 小结 39

第五章 试验载荷工况下的应力校核 40

5.1 上封头及筒体开孔结构（模型1） 40

5.1.1 接管1 42

5.1.2 接管3 44

5.1.3 接管7 45

5.1.4 接管M-1a 46

5.1.5 小结 47

5.2 人孔接管M-1c开孔结构（模型2） 47

5.2.1 接管M-1c 49

5.3 下封头及筒体开孔结构（模型3） 50

5.3.1 接管2 52

5.3.2 接管10 53

5.3.3 接管H-1 54

5.4 小结 55

第六章 总结与展望 56

6.1 结论 56

6.2 经济型评价 56

6.2.1 强度计算 56

6.2.2 单元设备价格估算 56

6.2.3 总投资估算 57

参考文献 58

致谢 60

第一章 绪论

1.1 压力容器研究的背景及意义

跨入新世纪，我国的重工业得到了飞速的发展，化工材料的需求及使用量大大增加，而压力容器又是化工生产过程中最不可或缺的一种承压设备^[1,2]。根据承受压力的不同属性，我们通常把压力容器分为内压、外压容器。在探索深海及开采石油矿物的过程中，外压容器得到了广泛的应用。而内压容器则作为主要承压设备，应用于化工材料的生产过程当中^[3]。内压容器的失效主要由于强度破坏；而失稳失效，尤其是弹性失稳破坏，成为了外压容器的主要破坏形式^[4]。

1.2 压力容器开孔补强研究的重要性

在运行压力容器时，压力容器的结构不连续处会产生周期性的交变应力^[5]。这是流体流动产生的振动、腐蚀介质的存在以及压力、温度的变化。分析设计（Design by Analysis）是压力容器的主要设计方法^[6]。在设计压力容器的过程中，为了使工艺、结构等要求能被满足，开孔是必不可少的^[7]。压力容器的使用期限在一定程度上取决于开孔补强设计效果及其质量，合理的开孔补强设计能有效延长压力容器的使用期限^[8]。容器的极限承载能力在压力容器开孔后将会被降低^[9]；另一方面，由于原本的连续性被开孔结构破坏了，产生的应力集中使得局部的高应力产生在了开孔边缘^[10]。综上所述，采用合理的开孔补强措施以保证压力在开孔处的平衡性是十分重要的。^[11,12]

1.3 对于容器开孔补强的研究

1.3.1 压力容器开孔后产生的应力类型

在对压力容器的壳体进行开孔设计后，通常会根据需求设置人孔、接管，在设置这些结构后，将产生原本不存在的应力，现将介绍其存在的主要应力：

①弯曲内力。由于受到压力载荷，在边界处必然会产生一组自平衡边界内力来保证变形协调，这组边界内力将产生局部的弯曲应力，重点存在于壳体的开孔边缘及接管的端部^[14]。

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