局部应力计算超界怎么办

问题提出

某项目的固定管板换热器，管箱管口T1，T2开孔较大，而且作为进出口管口载荷也比较大。

设备尺寸详图如下图

管箱设计压力：60.5Barg，设计温度85°C，MAWP63.9Barg，腐蚀裕量3mm。 筒体：ID330.2*16 材料：SA-516 70N

接管锻件：OD258/ID182， 材料：SA-105N

Ro=258/2=129；Rm=330.2/2+3+13/2=174.6

Ro/Rm=129/174.6=0.7388，超过了WRC107的限制（WRC107/537的开孔直径范围为当接管开孔外直径/筒体中径应在0.0571~0.571之间）

在PVElite运行后，发现其局部应力计算结果出现红色警告。

这也是经常出现的情况，超界。

超界=不安全？

在这里先申明一个观念：超界不等于不安全

我经常遇到设计人员算局部应力的时候，看到软件提示超界无法计算，就说计算不合格。前几天遇到设计人员对于一个压力比较低，介质也没有危害的设备采用锻管，而且锻管厚度并不比采用钢管厚多少。我给的修改意见是改为补强圈。他过一会说，补强圈试过了，不合格。我感觉很纳闷，一般补强圈对于局部应力来说效果比锻管要好，为什么加了补强圈局部应力反而不合格。我过去看程序，SW6的提示是厚度比超界，无法计算。

超界和不安全是两个概念。超界是无法满足计算的一些假设条件，从而无法适用现有的计算模型。不安全是满足现有的计算模型，但是计算不通过。超界和安不安全是没有关系的，无法计算不代表不安全。

快速评估方法

当几何尺寸超界时，软件无法计算局部应力，不仅仅是PVElite软件，SW6中间出现的限制更多，因为SW6未考虑WRC537，不能采用拟合公式。此时SW6会直接告诉用户，你输入的数据超界无法计算。工程中有很多是无法精确计算或者是精确计算需要耗时较多不经济 。那么有没有方法在无法计算的时候，不用有限元分析来确定是否结构承载能力足够呢？

答案是肯定的，如果计算时超界可以考虑如下6种方法使得模型“入界”，再评估是否安全。

1.加补强圈。当筒体与接管厚度相差较多时，通过增加补强圈使两者厚度接近，可以不用标准补强圈，厚度也可以按照需要调整。

2.减薄接管厚度。接管厚度太厚，无法计算，可以通过减薄接管厚度的方法得到保守解。

3. WRC297无法计算可以使用WRC107计算，WRC107在接管壁厚大于筒体时，一般最大应力都在筒体上。

4.减少接管直径。接管直径越大，能承受的外载越大，如果小尺寸的接管能承受A载荷，那么大尺寸的接管也能承受A载荷。

5.用PVElite来核算一下是否通过，余量有多少。因为PVElite计算局部的结构尺寸WRC107超界时，仍然WRC537继续计算，使用的是延长线和拟合公式的值。对于判断趋势是有参考价值的。

6.最后可以考虑加厚筒节的方法使结果通过。

上面那台加补强圈计算超界，如何解决的呢？因为WRC297需要接管和筒体的厚度在一定的范围内。由于补强采用标准补强圈，厚度与筒体相同，导致筒体+补强圈的有效厚度，大于接管有效厚度的2倍，使得计算超界。经过调整，补强圈采用标准外径，厚度为3mm时，计算通过，打印出计算书来看，接管根部筒体和接管连接处的应力都非常低，所以加补强圈是完全安全可靠的。

而使用锻件时的应力，在筒体处的最大应力已经接近3倍许用应力，裕量非常小。所以采用补强圈不但能够大大缓解局部应力，对制造的便利，成本的节省都有好处。

问题解答

这台设备对照上面6条，我们发现第4条最合适估计此载荷下，结构是否安全。

将接管外径改为174.6*0.571=199.3，所以我们可以将接管外径改为198以及其它一系列尺寸对比，代入PVElite中进行试算，其评定为实际应力与许用应力比值。

从上表可以看出从符合标准的尺寸来看，相同的厚度的接管，其外径越小承载能力越小。那么我们可以合理的猜测，外径258的尺寸应该是安全的。

有限元验证

我们代入PVElite计算，得到超界后的计算结果是合格的。不放心后进行局部应力分析。

模型建立

局部载荷施加

应力分布

应力云图分布

应力评定：

一般局部薄膜应力按照1.5S，局部薄膜+弯曲应力按照3S

但是根据GB150.3 第 6.6.2.1可以按照

局部薄膜应力≤2.2S

膜+弯≤2.6S

分析结果评定

1.最大点出现在周向方向，邻近CL/CU点。

2. Cl处,线性化后膜+弯为400.3Mpa<413.7MPa，合格

3. 6条路径线性化后合格。

与WRC107/WRC297对比：

1. 最大点出现位置类似，CL点处。

2. 按照第3点，接管壁厚远大于筒体时，最大应力点在筒体上，分析结果也验证了这一点。

3. WRC107计算的膜+弯曲应力为275.1MPa。远小于分析设计的400.3MPa。 大开孔的WRC的结果与有限元结果还是有区别的，当为大开孔时，内压产生的弯曲应力非常大，它和接管载荷的弯曲应力叠加，会导致WRC107的结果不是很保守。所以大开孔的管口载荷分析，完全采用WRC107是不保守的。可以采用清华分析法来核算一下。

4. 如果开孔率不大，采用WRC107/WRC297配合上面的6条经验，能够解决大部分的工程问题。

总结

出现超界情况->分析原因，试算使之“入界”->保守估计快速确定合理尺寸->考虑是否有必要采取别的方法验证（如有限元）