板翅式换热器斜接管封头极限压力研究

0·前言
板翅式换热器斜接管封头在石油化工、空气分离和动力机械领域被广泛应用[1]。相较于正交接管，斜接管封头在封头—接管相贯区存在的应力集中对封头的强度有明显的影响，板翅式换热器封头半圆柱筒体结构与普通的圆柱体容器在约束上也明显不同。因此，有必要研究板翅式换热器斜接管封头强度设计问题。
在美国机械工程师协会(American Society ofEngineers,ASME)2007 VIII-2[2]和欧盟标准化委员会EN 13445-3[3]规范中，压力容器强度分析设计包括基于弹性分析的应力分类法和基于非弹性分析的直接法。PORTER等[4]基于板/壳弹性有限元分析技术研究了薄壁接管—壳结构的应力分类设计问题，给出了应力分类设计的步骤。
应力分类法存在的主要问题是难以将应力按其性质分解为一次、二次和峰值三类应力，而直接法通过弹塑性分析和极限载荷准则确定极限载荷，避免了应力分类难的问题[5]。ASME规范定义的极限载荷为满足小变形理论弹性—理想塑性力平衡方程的最大载荷，而对需要考虑材料应变硬化的情况，ASME规范以两倍弹性斜率准则(Twice elastic slope,TES)计算极限(塑性)载荷。英国学者MACKENZIE等[6]提出的塑性功曲率准则(Plastic work curvature,PWC)以塑性功作为结构整体失效判别的依据，较TES准则有很多优点。陈立杰等[7]考虑结构应力集中的影响，在弹性分析中通过修正高应力区的弹性模量来模拟塑性失效行为和计算极限载荷，计算速度快，但与结构真实的塑性失效机制之间存在一定的理论误差。
MERSHON[8]最先研究了斜接管问题，给出了斜接管应力集中系数的经验公式。LI等[9]应用两倍弹性斜率准则研究了中等开孔率斜接管圆柱壳的极限内压，并开展了相关的试验研究。周帼彦等[10]应用两倍弹性斜率准则研究了三种端板形式的板翅式换热器封头内压极限载荷WANG等[11]利用TES准则对板翅式换热器正交接管封头极限接管载荷组合关系进行了系统研究，为封头在组合接管载荷作用下强度设计问题提出了可行区的简化方法。
本文利用ANSYS参数化设计语言(ANSYSparametric design language,APDL)和SolidWorks建模软件[12-13]，给出了板翅式换热器纵向斜接管封头PWC准则极限压力计算方法，并研究了极限压力与尺寸参数的关系。