耳式支座處筒體的局部應(yīng)力計(jì)算探討

晏彥忠

（湖南化工設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410021）

耳式支座（以下簡(jiǎn)稱“耳座”）作為立式容器常用的一種支撐方式，容器設(shè)計(jì)時(shí)通常選用NB/T 47065.3—2018[1]中的標(biāo)準(zhǔn)耳座，為了防止容器因設(shè)置耳座而引起強(qiáng)度失效，一是要求耳座承受的實(shí)際載荷小于等于耳座本體的允許載荷，NB/T 47065.3—2018附錄A 給出了耳座實(shí)際承受載荷的計(jì)算方法，二是要求耳座處筒體的局部應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)，本文主要討論耳座處筒體局部應(yīng)力的計(jì)算問(wèn)題。

1 JB/T 4712.3—2007[2]中的計(jì)算方法

對(duì)于承受內(nèi)壓的帶墊板的耳座，JB/T 4712.3—2007附錄B給出了容器本體材料許用應(yīng)力為[σ] =110 MPa、130 MPa、150 MPa、170 MPa的圓筒形殼體，計(jì)算壓力為p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時(shí)，在安裝耳座后，由其局部應(yīng)力限定的耳座許用彎矩值[ML]，當(dāng)為其他許用應(yīng)力和其他有效厚度時(shí)可采用線性內(nèi)插的方法確定[ML]。

JB/T 4712.3—2007標(biāo)準(zhǔn)釋義給出了由容器圓筒限定的耳座許用彎矩計(jì)算的詳細(xì)過(guò)程，在耳座處圓筒內(nèi)的應(yīng)力主要是由容器的內(nèi)壓和耳座外彎矩引起的。

由壓力引起的一次總體薄膜應(yīng)力pm按以下公式計(jì)算：

由耳座彎矩引起的局部應(yīng)力按照AD 2000-Merkblatt S3/4[3]中的方法進(jìn)行計(jì)算，該方法認(rèn)為最大應(yīng)力出現(xiàn)在A、B兩點(diǎn)的內(nèi)壁或外壁，如圖1所示。

圖1 帶耳座的圓筒形容器

各應(yīng)力值按下列公式計(jì)算：

由耳座彎矩引起的一次局部薄膜應(yīng)力pL:

由耳座彎矩引起的一次局部彎曲應(yīng)力pb:

以上符號(hào)的含義及計(jì)算詳見(jiàn)JB/T 4712.3—2007和AD 2000-Merkblatt S3/4。

根據(jù)應(yīng)力分類的方法，對(duì)這些應(yīng)力的組合按照以下原則進(jìn)行限制：

(1)pm≤[σ];

(2)pL≤1.5[σ];

(3)pL+pb≤1.5[σ]。

根據(jù)上述方法，通過(guò)自動(dòng)迭代計(jì)算，JB/T 4712.3—2007附錄B給出了各種型號(hào)耳座在不同的筒體有效厚度和不同壓力下的耳座允許外彎矩。

2 NB/T 47065.3—2018中的計(jì)算方法

對(duì)于承受內(nèi)壓的帶墊板的耳座，NB/T 47065.3—2018附錄B給出了容器本體材料許用應(yīng)力為[σ] =120 MPa、140 MPa、167 MPa、185 MPa時(shí)的圓筒形殼體，計(jì)算壓力為p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時(shí)，在安裝耳座后，由其局部應(yīng)力限定的耳座許用彎矩值[ML]，當(dāng)為其他許用應(yīng)力和其他有效厚度時(shí)可采用線性內(nèi)插的方法確定[ML]，當(dāng)為其他壓力等級(jí)的工況，需由設(shè)計(jì)人員按實(shí)際的計(jì)算彎矩，對(duì)殼體強(qiáng)度進(jìn)行核算，容器實(shí)際的計(jì)算壓力通常不是以上4種情況，這使得許用彎矩表的使用范圍就很小，但耳座標(biāo)準(zhǔn)并未給出強(qiáng)度校核的詳細(xì)方法。

NB/T 47065.3—2018編制說(shuō)明給出了附錄B由容器圓筒限定的耳座許用外彎矩的計(jì)算方法，該方法參照AD 2000—Merkblatt，根據(jù)應(yīng)力的組合和評(píng)判方法，可以確定出σ=f(ML)的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算程序的迭代計(jì)算出滿足要求的ML的最大值。

3 AD 2000—Merkblatt中的計(jì)算方法

AD 2000—Merkblatt規(guī)范中耳座處筒體局部應(yīng)力的計(jì)算方法主要參照WRC 107[4]（(1979版），并考慮了壓力載荷的影響，由于沿圓筒軸向橫剪力Q在A、B點(diǎn)不會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，可以不考慮橫剪力Q的影響。WRC 107是美國(guó)焊接研究委員會(huì)發(fā)布的應(yīng)用最廣泛的公報(bào)之一，主要用來(lái)解決外載荷通過(guò)實(shí)心附件對(duì)球殼和圓筒引起的局部應(yīng)力計(jì)算問(wèn)題，沒(méi)有考慮壓力載荷的影響，WRC 107第一版發(fā)布于1965年，其后分別于1968年、1970年、1972年、1979年、2002年發(fā)布了修訂版，并在其中增加了一些補(bǔ)充和說(shuō)明，2010年WRC發(fā)布了WRC 537[5]公報(bào)，WRC 537替代了WRC 107，但WRC 537中的計(jì)算方法與WRC 107中的計(jì)算方法并無(wú)根本變化，只是對(duì)計(jì)算中所用的部分曲線作了外延或少量修正，并給出了曲線的精確方程。耳座局部應(yīng)力WRC 107計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 耳座局部應(yīng)力WRC 107計(jì)算模型

4 SW6中的計(jì)算方法

過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6零部件計(jì)算程序中柱殼上矩形附件局部應(yīng)力計(jì)算模塊適用柱殼上矩形附件承受外載荷對(duì)殼體產(chǎn)生的局部應(yīng)力計(jì)算，其計(jì)算依據(jù)為HG/T 20582—2020[6]第19章外載荷對(duì)圓筒引起的局部應(yīng)力的計(jì)算和WRC 537公報(bào)，并考慮了壓力載荷的影響。

5 各種計(jì)算方法的比較

通過(guò)對(duì)以上各種方法的介紹可以知道，NB/T 47065.3—2018、AD 2000-Merkblatt S3/4、HG/T 20582—2020、WRC 537、SW6中的計(jì)算方法均來(lái)源于WRC 107,各種方法的計(jì)算原理是相同的。由于WRC 107的計(jì)算過(guò)程是十分復(fù)雜和麻煩的，需要查閱大量的表格和曲線來(lái)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于無(wú)法通過(guò)NB/T 47065.3—2018附錄B確定筒體許用彎矩的情況，使用SW6就可以高效地對(duì)耳座處筒體的進(jìn)行局部應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

為了驗(yàn)證使用SW6進(jìn)行筒體局部應(yīng)力計(jì)算的可行性，以筒體直徑1000 mm、有效厚度8 mm、B4型耳座的幾何模型為例，分別以JB/T 4712.3—2007（筒體材料許用應(yīng)力130 MPa）、NB/T 47065.3—2018（筒體材料許用應(yīng)力120 MPa）附錄B表中給定的計(jì)算壓力和耳座彎矩?cái)?shù)據(jù)輸入SW6中進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算，得到的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1和表2所示。其中SW6中矩形附件截面邊長(zhǎng)C1、C2分別輸入耳座墊板的高度315 mm、寬度250 mm。JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018中的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法反算出為材料許用應(yīng)力的1.5倍，分別為195 MPa、180 MPa。

表1 SW6與JB/T 4712.3—2007應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比/MPa

表2 SW6與NB/T 47065.3—2018應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比/MPa

6 結(jié)論

1）新版耳座標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47065.3—2018與老版耳座標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.3—2007相比，附錄表中給出的許用彎矩有所增大。

2）SW6應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與JB/T 4712.3—2007相比偏差較小、與NB/T 47065.3—2018相比偏差較大，且計(jì)算結(jié)果均大于耳座標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果比耳座標(biāo)準(zhǔn)偏保守。

3）當(dāng)容器設(shè)計(jì)參數(shù)超出NB/T 47065.3—2018附錄B的范圍時(shí)，可以使用SW6來(lái)計(jì)算耳座處筒體的局部應(yīng)力，計(jì)算時(shí)首先通過(guò)SW6立式容器計(jì)算程序中的耳座計(jì)算程序得到耳座計(jì)算彎矩，然后通過(guò)零部件計(jì)算程序中的柱殼上矩形附件局部應(yīng)力計(jì)算程序計(jì)算筒體局部應(yīng)力，其中矩形附件截面邊長(zhǎng)C1、C2分別輸入耳座墊板的高度和寬度，繞Y軸彎矩輸入耳座計(jì)算程序得到的耳座計(jì)算彎矩。

4）WRC 107只給出了局部應(yīng)力計(jì)算方法，并未給出應(yīng)力限制條件，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及性質(zhì)加以分類并進(jìn)行限制，JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018認(rèn)為耳座彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力為局部薄膜應(yīng)力和一次彎曲應(yīng)力，要求局部薄膜應(yīng)力加一次彎曲應(yīng)力限制在1.5倍材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，而SW6中將最大表面應(yīng)力限制在3倍材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，使用時(shí)應(yīng)特別注意。