开孔补强之等面积法的局限

                                                                                                   



前言

压力容器的开孔补强常规计算方法，国内标准（GB/T150-2011、JB4731）主要采用等面积法。下面老愚为大家剖析等面积补强方法的理论基础及其局限性，为广大设计人员提供设计参考。


1理论基础 无限大平板开小孔理论。
其补强原理是根据等强度补强，也就是挖去多少金属，失去了多少抗拉强度，就要补回多少抗拉强度。（国外标准中的压力面积法也是这个道理，本质是一样的，只不过表达形式和对开孔尺寸和形式的限制稍有区别）2壳体开孔之后，在开孔边缘引起的三种应力 局部薄膜应力、弯曲应力、峰值应力。（这三种应力的具体解释，请读者自行查阅JB4732，老愚在这里不具体解释了）


3局限性 （1）这种理论仅仅考虑开孔截面处产生的平均应力（即局部薄膜应力），而忽略了开孔边缘的弯曲应力和过高的应力集中。这些应力可能导致：在静载荷时引起过大的变形或破坏；使低温设备可能引起脆性断裂；使交变载荷的疲劳设备发生疲劳破坏。
所以GB150对等面积法的适用范围做出了明确。比如，GB150中就对壳体的开孔直径大小有严格规定，这就是为了避免开孔边缘有过大的弯曲应力；GB150中还要求开孔的长短轴比不能超过2，即斜接管的倾斜角度不能超过60度，这是为了避免开孔边缘有过高的应力集中。
对于疲劳设备，由于需要考虑峰值应力，而等面积法补强并没有考虑峰值应力，所以对于疲劳设备并不能采用等面积补强。（2）未考虑结构不连续引起的附加应力。      （3）也未考虑热膨胀、无支架连接的管道的自重等引起的外载荷。

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