帶有多個(gè)接管的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)是壓力容器的一種典型結(jié)構(gòu)，使用性非常重要。由于接管較多，開孔較大，加大了開孔邊緣的應(yīng)力集中，從而削弱了封頭結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。應(yīng)力集中不僅與開孔有關(guān)，還與該部位的變形協(xié)調(diào)有很大關(guān)系。對(duì)于大尺寸封頭的開孔接管，由于變形協(xié)調(diào)所造成的邊緣應(yīng)力衰減范圍較寬，補(bǔ)強(qiáng)范圍已超出GB150-1998 的規(guī)定，常規(guī)設(shè)計(jì)方法已不適用。對(duì)于承受脈動(dòng)負(fù)荷且載荷較大的橢圓形封頭結(jié)構(gòu)，以往常按常規(guī)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該法難以同時(shí)結(jié)構(gòu)性和經(jīng)濟(jì)性，因而采用的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)手段。針對(duì)這一情況，本文擬采用有限元分析技術(shù)，借助于ANSYS 有限元強(qiáng)度分析軟件對(duì)受壓封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，較真實(shí)、直觀地反映封頭整體和局部各點(diǎn)處的變形、應(yīng)力強(qiáng)度大小及應(yīng)力變化狀況，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了電測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)分析設(shè)計(jì)的思想，利用應(yīng)力分類和評(píng)定的方法，對(duì)大開孔封頭強(qiáng)度進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，使其在滿足應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定的前提下，用料，實(shí)現(xiàn)大開孔封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 內(nèi)壓作用下有限元計(jì)算模型

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

取帶有兩個(gè)接管的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，兩個(gè)接管內(nèi)徑分別為Φ850mm 和Φ400mm，設(shè)計(jì)壓力為4.5MPa，各部分材料均為Ti75，設(shè)計(jì)溫度為50℃。材料特性：E=1.156x105MPa，μ=0.32，σs=650 MPa，[σ]=233 MPa。進(jìn)水接管壁厚為16mm，人孔座內(nèi)徑為Φ400mm，壁厚為85mm，接管為平齊式結(jié)構(gòu)。接管與封頭的焊接為全焊透結(jié)構(gòu)，外側(cè)焊角高20 ㎜，內(nèi)側(cè)圓角半徑20 ㎜。

2.2 幾何建模

為了便于計(jì)算，取實(shí)體作為分析對(duì)象并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，由于封頭是關(guān)于中心平面對(duì)稱的，為減小計(jì)算規(guī)模，取半邊進(jìn)行建模。由于大開孔封頭出現(xiàn)強(qiáng)度問題的危險(xiǎn)部位常常集中在封頭與接管相貫區(qū)域，為了較真實(shí)地反映兩個(gè)接管對(duì)水室強(qiáng)度的影響，我們僅取上述兩接管和封頭殼體作為有限元分析對(duì)象，視大接管遠(yuǎn)端對(duì)封頭影響為零，故取實(shí)際的計(jì)算模型為大接管距離封頭外表面100m 處為邊界，小接管及封頭法蘭對(duì)外聯(lián)接部分作為邊界條件來處理。
2.3 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS 結(jié)構(gòu)分析模塊中的三維實(shí)體單元Solid95 號(hào)單元將實(shí)體離散化，Solid95號(hào)單元是20 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，在計(jì)算不規(guī)則形狀的變形時(shí)精度較高?？紤]到循環(huán)水接管壁相對(duì)于封頭壁厚較薄，為了提高分析精度，網(wǎng)格劃分時(shí)宜采用映射網(wǎng)格，由于水室形狀不規(guī)則，給映射網(wǎng)格的劃分帶來的難度，故采用在接管部位采用映射網(wǎng)格，進(jìn)水接管沿壁厚劃分三層，人孔沿壁厚劃分六層。在封頭本體采用四面體網(wǎng)格，在封頭與接管相貫區(qū)域及焊縫進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，整個(gè)計(jì)算模型共劃分了65813 個(gè)單元，163174個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型見圖1。