压力容器筒体开孔接管薄膜加弯曲应力评定问题
压力容器筒体开孔接管薄膜加弯曲应力性质识别和评定是压力容器应力分析设计中一个有争议的问题，业内的专家对此有各自的观点，本文先介绍一下他们的观点，最后给出自己的总结，供大家参考。
全国锅炉压力容器标准化技术委员会设计计算方法专业委员会的《压力容器工程师设计指南》第2版第16章提供了一个筒体开孔接管基于有限元应力分析设计的例子，对于薄膜+弯曲应力强度没有按照一次加二次应力SⅣ小于3S评定，而是按照一次薄膜加一次弯曲应力SⅢ小于1.5S评定，原文对此分析如下：
在外载荷或内压作用下，壳体上接管或其他开孔附近的弯曲应力，既包含有静力平衡引起的一次应力成分，又含有因结构不连续产生的二次应力成分。由于有限元软件，如ANSYS,只能在线性化处理后给出薄膜+弯曲应力的总量，不能进一步细分这两种应力。那么，对该薄膜+弯曲应力的总量，是该按一次应力，即SⅢ处理，采用1.5S控制，还是按一次+二次应力，即SⅣ处理，采用3S控制？在压力容器分析设计中，存在分歧。若按SⅣ处理，把弯曲应力中的一次成份处理为二次，结果可能不安全，同时，则在评定了SⅡ后，无法评定SⅢ，而直接评定SⅣ，这也不满足分析设计规范的要求。但若按SⅢ处理，则认为可能偏保守。
由于JB 4732表4-1将该弯曲应力分类为二次应力，因此，很多设计者在分类时便依此按SⅣ处理。但实际应该如何处理，目前没有查到有关的文献对之作出深入、可信的分析。考虑到该处的弯曲应力总量中含有静力平衡需要的一次弯曲应力和因变形协调引起的二次弯曲应力，由于两种成分无法区分，为满足JB 4732对各类应力强度应依次逐级评定的要
求，算例中对薄膜+弯曲应力按SⅢ处理，用1.5S来控制，这也是偏安全的处理。
对于采用线弹性应力分析设计的应力分类方法可能产生的不确定的情况，可以采用规范提供的极限载荷分析法代替对一次应力的评定。
《压力容器工程师设计指南》第2版第16章还介绍了3位业内专家的观点：
文献[10]桑如苞《压力容器圆筒大开孔应力分析设计中的弯曲应力》一文认为大开孔截面的弯曲应力主要属于一次弯曲应力，所以对大开孔边缘的弯曲应力应按一次弯曲应力处理和评定；
文献[14]丁伯民的《美国压力容器规范分析-ASEⅧ-1和Ⅷ-2》认为Pl+Pb≤1.5S不能用于筒体大开孔弯曲应力，原因在于这个准则是基于矩形截面梁在纯弯曲条件下的极限载荷公式得到的，而圆筒大开孔承载潜力系数要大于矩形截面梁的1.5，应根据结构的不同采用1.5S~3.0S来控制Pl+Pb，Pl+Pb≤1.5S可以用于球形封头或者椭圆封头中心开孔；
文献[82]陆明万的《压力容器应力分析设计方法的进展和评述》分析表明筒体大开孔截面承载潜力系数是2.34，不是矩形截面梁的1.5，筒体大开孔出的一次弯曲应力许用值可以提高的2.34S。
《压力容器工程师设计指南》第2版第16章在安全系数的修正中提到了GB/T150分析法中圆柱壳开孔接管SⅡ≤1.5S的强度条件过于保守，标准修改为SⅡ≤2.2 S，同时SⅣ≤2.6S。
总结一下《压力容器工程师设计指南》提到了3种处理方法和3位专家对弯曲应力的判断。提到的3种方法分别是：（1）SⅡ≤1.5S加SⅣ≤3.0S；（2）SⅡ≤1.5S加SⅢ≤1.5S（保守评定了SⅣ≤3.0S）（3）SⅡ≤2.2S加SⅣ≤2.6S。3位专家认为的弯曲应力适用的限制准则分别为：（1）SⅢ≤1.5S；（2）SⅢ≤1.5S~3.0S；（3）SⅢ≤2.34S。
作为一个工程师有自己的实践经验和判断。接触到的开孔接管应力分析薄膜加弯曲应力大多是按照SⅣ≤3.0S，比如Paulin Research Group公司（PRG）的Nozzle Pro（简称NP）采用的就是第1种准则，最bug是这个程序加载管端载荷的方法用的是类似于通用有限元程序中的刚性面域法，国内的相关研究证实了这种方法会使计算结果偏小，之前验证过这个软件计算的应力比NSAS和GB/T150开孔分析法都要小，接管越短反而应力越小越容易校核通过。国内的北京希格玛有限元技术公司的NSAS是比较符合压力容器行业的习惯和要求，采用全实体模型，网格划分十分规整，堪称完美，可以选择加管法兰，同一个接管NSAS算出来应力的比NP要高（不少），管端载荷加载方法不同影响很大，NSAS可以考虑法兰，更加符合实际情况，更加合理。采用同样的应力限制准则，NP算得过的，NSAS可能算不过，因为前者计算得到的应力比后者小得多。
是不是NP就是错的呢？？？在过去的8年时间里面，单位用NP做的开孔补强设计没有一例发生危险，这个软件不但压力容器专业在用管道专业也在用。如果不看应力计算的大小，而看最终的筒体接管厚度，NP与GB/T150分析法可能比较接近，因为NP采用的准则是SⅡ≤1.5 S和SⅣ≤3.0S，SⅡ≤1.5 S相对SⅡ≤2.2S保守好多，1.5倍的关系，但是NP的应力偏低(好多)，开孔补强确定的厚度接近GB/T150分析法。因此，NP的验算采用极限分析法更合适，或者GB/T150分析法，不排除PRG考虑了弹性分析方法的保守型而采用这种管端载荷加载方法。之前褚工有发文章认为NP不太适合厚壁锻管分析。
北京西格玛的有限元软件NSAS网络版个人注册使用很方便，不用购买软件！！！使用门槛相对大型通用商业有限元软件是极低的（压力容器专业买个够用的模块起步70多万吧），NSAS单个接管收费5块起步（别说你用不起），这是前所未有的创新。从压力容器应力分析设计工程师的角度看NSAS技术完美，使用成本极低，个人比较推荐NSAS（NP(NOZZLE PRO)其实非常的先进）。要知道大约10年之前，具有SAD设计资质的设计院或者高校做单个大开孔分析收费是1万左右（锅容委的应力分析业务3万起步），现在也得3000块吧，用NSAS调整2把计算通过也不过花费15块，报告是一键生成的，分分钟搞定大开孔。请注意NSAS默认的应力评定准则是保守的，同一方位3条路径中间那条的结果是按一次应力评定的，这个可以修改设置。希格玛的工程师解释评定准则可以修改是因为不同用户的观点不一致，可以按照本行业或者单位的需求设置。
介绍NSAS这么多，其实想说说基于工程实践的判断方法。等面积补强法的安全性是毋庸置疑的，人人都可以用NSAS做有限元分析验证等面积补强法的计算结果，挑选几个等面积补强法校核通过的筒体开孔，再用NSAS算算看薄膜加弯曲是多大，薄膜加弯曲达到数值肯定是安全数值，可以确定的是很多的开孔接管薄膜加弯曲应力都超过1.5S，算他几十个（100块20个），估计对这事你也不纠结了。如果不想花钱用WRC107和WRC297也可以（准头差），管口载荷输个极小值就可以，PV和SW6.0都能做。秦叔经老师之前有研究过分析设计方法的经济性问题，见《压力容器分析设计方法的安全性和经济性讨论》。希格玛公司的人之前也有发论文《应用于圆筒径向开孔接管结构应力分析的极限载荷法和应力分类法之比较》研究过这个问题。
GB/T150开孔补强分析法设计准则是SⅡ≤2.2 S和SⅣ≤2.6S，它的这个设计准则是基于塑性极限和安定分析得出的，制定时是被证明和验证过的，95年进入JB4732，11年进去GB/T150，应该说很权威了。标准实施后业内也不止一个人用有限元验证过分析法的正确性。都已经Pl≤2.2S了，还要要求Pl+Pb≤1.5S？？?。
最后总结一下：（1）开孔接管一次薄膜加一次弯曲用1.5S限制本身就是保守的，这个准则其实不适用开孔接管，开孔接管应该是2.34S（陆明万引用霍奇《结构的塑性分析》）；（2）弹性分析应力线性化无法分离一次弯曲应力和二次应力，即便是放宽到2.34S也没法评定一次薄膜加一次弯曲，无解；（3）工程中大量开孔接管采用SⅡ≤1.5S和SⅣ≤3.0S是安全的，可以明确SⅡ≤1.5S是保守的；（3）等面积补强法校核通过的开孔接管，薄膜加弯曲如果按照SⅢ≤1.5S校核大概率是通不过的，确实不经济（SⅡ≤1.5S也是保守的）（4）GB/T150开孔补强分析法设计准则是SⅡ≤2.2S和SⅣ≤2.6S，这个目前是最权威的，也最具经济性；（5）超出分析法适用范围可以采用极限分析校核，载荷放大1.5倍计算收敛即可认为包括一次薄膜加一次弯曲在的一次应力符合要求，针对应力划分搞不清楚的情况塑性方法挺合适的，这个方法没争议。建议采用线性单元即可，壳单元也可以试试，降低设计保守性，同时尽可能压低设计计算成本；（6）如果是分析设计答辩碰到老师问这个问题，你可以说你用分析法或者极限分析校核通过了。
上面提到的几种方法GB/T150开孔补强分析法是最优的，无论是结构设计的经济性还是计算成本的经济性，但适用结构范围有限制；有限元分析时采用极限分析校核一次应力加弹性分析校核一次加二次应力（SⅣ≤3.0S）经济性才能与分析法接近，这种组合分析的办法计算成本相对极限分析加弹塑性分析低，并且适用结构无限制。
弹性应力分类设计方法可以看成极限分析和弹塑性分析的低计算成本替代方法，带来计算成本的经济性的同时也带来保守性和不确定性。碰到弹性分析产生不确定的情况或者你不好把握，采用塑性分析方法是ASME和新版分析设计标准所推荐的。筒体开孔接管极限分析计算规模不大，普及起来比较容易。注意极限分析时屈服强度按照ASME应取1.5S。
16-17年河北工业大学高炳军教授团队已经把极限分析应用到了DN4600大型换热器换热器管头焊缝的评价上，有限元模型总单元数多达7895194个，总节点数为9483492个。极限分析有效避免了弹性方法的保守性，这对制造成本的控制有十分明显的益处，同时也说明不要轻易把弹性应力分类设计方法的结果作为管头设计的唯一依据，GB/T151的工程经验以及塑性方法的结果有时是很有必要考虑。这篇文章的计算规模可以进一步降低，比如换热器采用实体单元-线体单元组合的方法，这个方法在外文文章里面已经有报道了。
