《非等截面鞍座开孔对鞍座受力的影响》

-1-非等截面鞍座腹板开孔对鞍座受力的影响（杨绍春，航天晨光股份有限公司化机分公司，江苏，南京，211299）摘要：在过滤分离器产品设计时，由于其结构要求一般需鞍座开孔，鞍座开孔后其组合截面积及抗弯截面模量将发生变化，本文以开孔高度及开孔大小为变量，并结合具体产品对非等截面鞍座腹板开孔处应力值进行分析，进而得出相应结论。关键词：鞍座开孔组合截面积抗弯截面模量应力变化在设计天然气输送设备—过滤分离器时，由于积液包在设备正下方，且需穿过鞍座。积液包要穿过鞍座，则在腹板上开一个适合直径的孔，让积液包得以穿过鞍座。如图1所示。该文中过滤分离器设备内径为ID1100mm，壳体厚度为38mm，采用JB/T4712.1~4712.4—2007《容器支座》的BI1100（h=1312）进行分析。图1鞍座开孔图如图2所示：L1—任一横断面的腹板长度，mm；b2—任一横断面的筋板长度，mm；D—开孔直径，mm；Z—开孔中心到底板上端面的高度，定义为开孔高度，mm；n—筋板块数；As—任一横断面的筋板与腹板组合截面积，mm2；W—任一横断面的筋板与腹板组合抗弯截面模量，mm3；图2-2-其余符号与JB/T4712.1~4712.4—2007《容器支座》一致。已知条件：δ2=8，δ3=8，Hv=1900，H=1312,Asa=10880，Zr=191865，α1=0.16，A=350，n=4，F=60000。1.实际开孔计算当开孔高度Z=638，开孔直径为D=416时鞍座开孔对鞍座强度的影响：底板为水泥基础时，摩擦力比地震大（mgf=0.4mgFev=0.16mg），设备处于静止平衡状态。此时在轴向弯矩及垂直载荷作用下，支座腹板与筋板组合截面内产生的压应力[2]为：)2(2ALAHFWHFAFSVEVEVssa由温差变化引起的圆筒体伸缩时产生的支座腹板与筋板组合截面的压应力[2]为：WFfHAFstsa上述两个式子的As与W都未知，因此先求这两个未知量。在开孔中心位置处：b2=164.22，L1=503.18。则在此横断面上筋板与腹板的组合截面积[3]为：As=nxδ3xb2+δ2xL1=4x8x164.22+8x503.18=9280.6偏移距离[3]：1223)2/2(12)2/2(23LbnLbbny18.503822.16484)2/8(18.5038)2/8(22.16484=44.76mm筋板与腹板抗弯截面模量[3]为:ybyLybbnLbnW22212223321323)2/()2/(2121121=240535mm3则可计算出在开孔中心处的sa33.31Mpa，tsa=-137Mpa。-3-以开孔中心为原点，向下为正，位移为x（-208≤x≤208）。经计算：1)当在x=100时，在轴向弯矩及垂直载荷作用下，支座腹板与筋板组合截面积产生测正压力取得极大值，此时sa34.07Mpa，tsa=-141.603Mpa。2)当x=134时，由温度变化引起的圆筒伸缩时产生的支座腹板与筋板组合截面的正应力取得极大值，此时sa33.09Mpa，tsa=-141.93Mpa。而在鞍座小端sa38.91Mpa，tsa=-169.03Mpa。通过上述计算可以得出此鞍座在开孔前与开孔后应力最大值都在鞍座小端取得。2.鞍座开孔后筋板与腹板组合截面积及其抗弯模量的分析2.1鞍座开孔后筋板与腹板组合截面积分析上述鞍座开孔前后应力最大值都在小端取得，即在腹板上开孔对鞍座承载几乎没有影响。此结论是否适用于所有情况呢？下面以开孔高度，开孔直径为变量对此进行分析。图3当开孔直径D=50，开孔高度与开孔中心处As用点（Z，As）表示。分别取Z=0，100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100。计算出在上述处的As值，从而画出D=50的曲线。同理D=100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800的曲线如图3所示。该鞍座不开孔即D=0时，Asa=10880。-4-从图3可以看出，处于As=10880以下的部分,鞍座开孔对其承载有影响，反之则无影响。D=50,100,150，200,250，300,350,400与As=10880有交点，即临界点。临界的开孔高度分别为：147.65,295.30,442.95,590.60，738.26,885.91,1033.56,1181.21。随着开孔直径的增加，临界开孔高度增加。当开孔较大（D≥450）时，与As=10880无临界点，即在任意高度开D≥450的孔时，鞍座开孔对其都有影响。（a）在开孔直径相同而开孔高度不同时时，，随着开孔高度的增加，开孔处筋板与腹板组合截面积将增大。（b）在开孔高度相同而开孔直径不同时，随着开孔直径的增大，开孔处筋板与腹板组合截面积将减小。（c）当鞍座开孔较大（如D≥450）时，无论在何处开孔筋板与腹板组合截面积都将减小。2.2鞍座开孔对组合抗弯截面模量的影响当开孔直径D=50开孔高度与开孔中心处抗弯截面模量与开孔高度用点（Z，W）表示。分别取Z=0，50,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,1000,1050,1100。计算出在上述处的W值，从而画出D=50的曲线。图4-5-同理，可以得出得出抗弯截面模量在D=100,150，200,250,300,350,400,450,500,550,600,650，700,750,800随开孔高度变化的关系，如图4所示：鞍座不开孔时，筋板与腹板（小端）组合抗弯截面模量为Zr=191865，上述各曲线都与W=191865有交点。直线下方的区域条件内开孔，鞍座开孔对其组合抗弯截面系数有影响。反之则几乎无影响。随着开孔直径的增大，临界开孔高度也相应增大。（a）在开孔直径相同开孔高度不同时，随着开孔高度的增加，筋板与腹板组合截面抗弯系数将增大。（b）在开孔高度相同开孔直径不同时，随着开孔直径的不断增大，筋板与腹板组合截面抗弯系数将减小。（c）随着开孔直径的增大，临界开孔高度也相应增大。3.理论极值分析根据前文所述可知：在开孔最大和开孔位置最低时取得最大应力值。即在底部开D=800的孔，此时在轴向弯矩及垂直载荷作用下，支座腹板与筋板组合截面内产生的正压力为σsa、由温差变化引起的圆筒体伸缩时产生的支座腹板与筋板组合截面的压应力σsa’与开孔前比较如表1所示：表1开孔前开孔后开孔后/开孔前（百分比）σsa（Mpa）38.9175.02192.8%σsa’（MPa）-169.63-314.617185.5%鞍座开孔后σsa和σsa’是分别是开孔前的192.8%和185.5%，当开孔取其理论极值时，鞍座开孔后对其应力值影响极大。4.工程计算如图5所示，开孔1是实际开孔位置和大小，开孔2为假设开孔。开孔2的直径为开孔1一致，位置位于开孔1正下方D/2处。通过计算，开孔2中心位置处筋板与腹板组合截面积、筋板与腹板组合抗弯截面比开孔1任意处都小，若开孔2中心处校核合格，则开孔1任意处都合格。此方法能保证鞍座强度，而且便于计算。-6-在实际生产过程中，开孔最小端一般会离底板一定距离。当Z=D时，开孔大小与开孔危险处应力的关系如表2所示：表2开孔直径Dσsaσsa（开孔后-开孔前）/开孔前σsa’σsa’（开孔后-开孔前）/开孔前不开孔38.90-169.6310038.97+0.02%-168.35-0.76%20039.22+0.08%-167.74-1.13%30039.70+2.06%-168.01-0.96%40040.48+4.06%-169.47-0.09%50041.70+10.72%-172.68+1.77%60043.60+11.21%-178.70+5.08%70046.7+12.20%-189.8+10.62%80052.1+33.93%-211.9+19.94%针对过滤分离器的特点，开孔直径一般达不到开孔极值，当开孔直径小于等于400时，开孔后相对于开孔前应力变化在5%以内。从上述结果显示，对于BI1100（h=1312）鞍座，开孔直径D≤400，Z≥D时，鞍座开孔对鞍座影响较小。（此结论仅适用于BI1100（h=1312）以及类似的鞍座开孔）。图5-7-5.经济性通过上述分析解决了鞍座开孔后的应力计算问题。如鞍座不开孔，则需要增大鞍座间的跨距，从而增加筒体的长度，造成不必要的浪费。6.结论对于非等截面腹板开孔后鞍座受力的影响研究，结论如下：1.开孔直径相同开孔高度不同时，随着开孔高度的增加，开孔中心处支座腹板与筋板组合截面内产生的正压力，由温差变化引起的圆筒体伸缩时产生的开孔中心处支座腹板与筋板组合截面的压应力将减小；开孔高度相同开孔位置不同时，随着开孔直径的增加，开孔中心处支座腹板与筋板组合截面内产生的正压力，由温差变化引起的圆筒体伸缩时产生的开孔中心处支座腹板与筋板组合截面的压应力都将增大。2.开孔处最危险的截面不在开孔中心取得，而在其下某一位置取得。3.鞍座开孔时应尽量在鞍座上端开孔。参考文献：[1]JB/T4712.1~4712.4—2007《容器支座》[2]JB4731—2005《钢制卧式容器》[3]钱红华，鲍亚明.鞍式支座的组合截面积及抗弯截面模量的确定[J].辽宁化工，2010（3）：276-278.