1、1內壓作用下內壓作用下圓柱殼開孔接管分析設計方法圓柱殼開孔接管分析設計方法清華大學工程力學系清華大學工程力學系薛明德薛明德2007年年10月月2內壓作用下內壓作用下圓柱殼開孔接管分析設計方法圓柱殼開孔接管分析設計方法一一 概述概述 1.1 現有的常規設計方法現有的常規設計方法1.2 我國我國JB4732JB4732分析設計方法的適用范圍分析設計方法的適用范圍1.3 各國對于圓柱殼開孔接管問題的研究各國對于圓柱殼開孔接管問題的研究1.4 理論解的困難理論解的困難二二 我國我國JB4732分析設計方法的理論基礎分析設計方法的理論基礎2.1 基本參數與坐標基本參數與坐標 2.2 交貫線的幾何描述交貫

2、線的幾何描述2.3 采用修正的采用修正的Morley方程代替扁殼方程方程代替扁殼方程2.4 采用精確的連續條件采用精確的連續條件 2.5 解復雜的偏微分方程的邊值問題解復雜的偏微分方程的邊值問題三三 理論解可靠性的驗證理論解可靠性的驗證四四我國規范我國規范JB4732JB4732中圓柱殼開孔接管的分析設計方法中圓柱殼開孔接管的分析設計方法 4.1 適用范圍適用范圍 4.2 設計準則設計準則4.3 計算步驟計算步驟4.4 設計方法設計方法五五 JB 4732 與與 PD 5500 比較比較31 1概述概述1 1 現有的常規設計方法現有的常規設計方法2 2 我國我國JB4732JB4732分析設計

3、方法的適用范圍分析設計方法的適用范圍適用范圍適用范圍GB 150Di 1500mm, d Di/2，且且d 520mmDi 1500mm, d Di/3，且且d 2.2 Sm四四我國規范我國規范JB4732JB4732中圓柱殼開孔接管的中圓柱殼開孔接管的分析設計方法分析設計方法 2 2 設計準則設計準則試件號試件號D/Td/Dt/Tk (m)試件號試件號D/Td/Dt/Tk (m)1-147.135.332.83-247.3191.02.861-247.160.502.664-128.3.47.442.611-347.156.672.44-228.2.47.442.981-447.1491.0

4、2.025-133.513.753.461-583.196 .665 3.035-233.546 1.84 2.292-147.216.503.035-333.528 1.25 2.702-247.213.672.705-4230.529.982.592-347.2061.02.295-527.4.50.423.612-447.270.673.056-135.63.703.262-547.2621.02.546-230.60.603.762-628.4.26.252.906-331.65.662.413-147.326.673.3521JB 4732d/D=0.110 D/T 400, 5 d

5、/t22JB 4732d/D = 0.510 D/T 19623d/D = 0.810 D/T 100JB 473224d/D = 0.810 D/T 225發展發展3456789101112246810121416et /e=0.8et /e=2.0D/e1425395677100127156189k0=0.8225345678910111223456789km0=0.81425395677100127156189225D/eet /e=2.0et /e=0.825四四我國規范我國規范JB4732JB4732中圓柱殼開孔接管的中圓柱殼開孔接管的分析設計方法分析設計方法 3 3 應力強度應力強

6、度計算步驟計算步驟1 計算圓柱殼與接管中面直徑計算圓柱殼與接管中面直徑D, dD = Di+e , d = d0-et2 計算計算0, ,et/e3由由0, ,et/e查曲線圖組查曲線圖組J-2, 得得K(m) 和和K4計算計算 S=K(m) pD/2 e, S = =KpD/2 e5 校核校核 S2.2Sm S2.6Sm261確定殼體計算厚度確定殼體計算厚度2 給定殼體實際厚度給定殼體實際厚度 e ,計算計算 = = d /(DT)1/2 。針對不滿針對不滿足校核條件的足校核條件的S（或（或S）, 用加厚用加厚 et 的方法使強的方法使強度滿足。度滿足。計算計算四四我國規范我國規范JB473

7、2JB4732中圓柱殼開孔接管的中圓柱殼開孔接管的分析設計方法分析設計方法 4 4 設計方法設計方法mSpD2emK2 . 2或或eK6 . 2emeeIVmKSpRKpRKSS 6 . 2273 3 在曲線圖組在曲線圖組J-2J-2中，在開孔中，在開孔率率0=d/D的曲線縱坐標的曲線縱坐標Km（或（或K）上找值，過此點沿水）上找值，過此點沿水平線向右移與對應的平線向右移與對應的 值垂線值垂線相交，由交點讀得該族曲線參相交，由交點讀得該族曲線參數數et/e值，遇中間值內插。值，遇中間值內插。4 4 以以 et/e比例增加接管厚度。比例增加接管厚度。四四我國規范我國規范JB4732JB4732中

8、圓柱殼開孔接管的中圓柱殼開孔接管的分析設計方法分析設計方法 4 4 設計方法設計方法285 在第三步中，如果交點在第三步中，如果交點超出了超出了et/e曲線族的范曲線族的范圍（即圍（即et/e超出了超出了J1條條第第7項所規定的取值范項所規定的取值范圍），不允許外延取值，圍），不允許外延取值，則應考慮直接增加殼體厚則應考慮直接增加殼體厚度度e，再以，再以J3條步驟重新條步驟重新計算，直到滿足校核條件。計算，直到滿足校核條件。四四我國規范我國規范JB4732JB4732中圓柱殼開孔接管的中圓柱殼開孔接管的分析設計方法分析設計方法 4 4 設計方法設計方法29五五 JB 4732 與與 PD 55

9、00 比較比較 30五五 JB 4732 與與 PD 5500 比較比較 31定義：定義：h =T/T0 , g =T/T0六六 理論分析方法在理論分析方法在 今后的今后的GB150中應用中應用32六六 理論分析方法在理論分析方法在 今后的今后的GB150中應用中應用定義：定義：h =T/T0 , g =T/T033七七 支管受外載荷工況支管受外載荷工況 z r x o R y lb 2L Pxb Pzb Pyb Mxb Myb Mzb T t p n7 種外載種外載: 內壓內壓 pn3 種支管作用力種支管作用力 Pzb, Pxb, Pybn3 種支管作用力矩種支管作用力矩 Mxb, Myb,

10、 Mzbn3個基本幾何參數個基本幾何參數rDRT 0/r R / t T 34設計方法設計方法WRC B. 107 WRC B. 297 適用范圍適用范圍d/D 0.070.5710 D/T 600 2.0-2.5 d/D 0.5 5t/T 2 支管支管載荷載荷有應力集中系數曲有應力集中系數曲線線無應力集中系數曲無應力集中系數曲線線Pzb,Mxb, MybMzb, Pxb, PybPzb,Mxb, MybMzb, Pxb, Pyb內壓內壓無應力集中系數曲線無應力集中系數曲線無應力集中系數曲線無應力集中系數曲線35-1001020304050607080901000102030405060708

11、090max/0 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管內壁(有限元)zyoxPzbPzbL/2PzbL/2Pzb/2Pzb/2zyoxPxbPxblbPxb/2Pxb/2PxbR/2PxbR/2-100102030405060708090100-101234567 max/0 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管內壁(有限元)36-100102030405060708090100-

12、2.50.02.55.07.510.012.515.017.520.022.525.0max/0 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管內壁(有限元)PybR/2PybzyoxPyblbPybR/2Pyb/2PybL/2PybL/2Pyb/2-100102030405060708090100-202468101214 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管內壁(有限元)max/0Mzb

13、Mzb/2zyoxMzb/237MxbzyoxMxb/2Mxb/2-100102030405060708090100-100102030405060708090max/0 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管內壁(有限元)MybMyb/2zyoxMyb/2-100102030405060708090100024681012141618max/0 主殼外壁(理論解) 主殼內壁(理論解) 支管外壁(理論解) 支管內壁(理論解) 主殼外壁(有限元) 主殼內壁(有限元) 支管外壁(有限元) 支管

14、內壁(有限元)38組合載荷作用下圓柱殼開孔接管的應力分析方法組合載荷作用下圓柱殼開孔接管的應力分析方法 z r x o R y lb 2L Pxb Pzb Pyb Mxb Myb Mzb 0 180 90 類似于類似于WRC 107框架框架支管外載向主殼與支管交支管外載向主殼與支管交界線支管中心點簡化，得界線支管中心點簡化，得到到3個外力、個外力、3個外力矩個外力矩校核校核0 ,90 , 180 ,270 處內處內外壁外壁8個點的應力強度個點的應力強度利用理論解得到一系列無利用理論解得到一系列無量綱內力素曲線量綱內力素曲線,包括：包括：正應力：正應力：T , M ,T , M 剪應力：剪應力：

15、T , M對于不同的外載荷選擇不同基準應力對于不同的外載荷選擇不同基準應力39載荷載荷曲線曲線應力值應力值0 外外0 內內180 外外180 內內90 外外90 內內270 外外270 內內pT /pR +p6M /pRT +-+-+-+-PzbT / +Pzb6M / +-+-+-+-PybT /0000+-Pyb6M /0000-+-PxbT /-+0000Pxb6M /-+-0000MxbT /0000+-Mxb6M /0000+-+MybT /-+0000Myb6M /-+-0000一次加二次正應力一次加二次正應力2zbPr ybPr ybP Tr xbPr xbP Tr 2xbMr

16、2ybM Tr 2zbP Tr 2ybMr 2xbM Tr mpRkT ()bpRkT ( )2zbPrT mk ()ybPrT mk ()bk ( )ybPrT xbPrT mk ()2xbMr T mk ()2ybMr T mk ()bk ( )xbPrT bk ( )2ybMr T bk ( )2zbPrT bk ( )2xbMr T 400.10.20.30.40.50.60.70.80.9-1.5-1.0-0.50.00.5600400500300200100500.05 /T0 0 p 90, t/T=1.0200.10.20.30.40.50.60.70.80.901234567

17、8960050040030020010050p 0, t/T=1.0 0 /M00.05200.10.20.30.40.50.60.70.80.91234567D/T=600 500 400300200D/T=10050 D/T=20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180 200 225 250 275 300 350 400 450 500 550 600 650p 0, t/T=1.00.05 / T0 020內壓內壓 p 作用下的無量綱內力素作用下的無量綱內力素(1) “應力指數法應力指數法”只適只適用于小開孔用于小開孔(2) 0 處處無量綱正應力隨無量綱正應力隨 0, D/T 增加而加大增加而加大(3) 大開孔時大開孔時90 處可能處可能出現壓縮薄膜應力出現壓縮薄膜應力41思考題思考題1JB4732 中圓柱殼