在圆柱壳上开大孔直接焊接接管是压力容器设计的一种常见结构，其应力计算和强度评定有不少报道，但对于在圆筒上翻边预开孔焊接支管且开孔率大于0.5的应力强度分析和评定的文献报道尚不多见。在高压断路器壳体的设计中，考虑壳体内壁表面状况直接影响，设备内部电场的均匀及为了消除尖角放电等现象，采用了开孔比为0.9的这种结构。壳体在使用中充装绝缘介质六氟化硫气体起到灭弧作用，压力为0.3~0.8MP。该类产品符合《压力容器安全技术监察规程》第2款，为规定的第一类压力容器。由于这种大开孔壳体的强度计算超出了目前所查到规范的限制，尚无完全适用的设计规范可循，因而设备的设计在很大程度上依赖于工程经验。首先用试验方法进行了实际模型的应力测试，在此基础上运用ANSYS软件对壳体强度进行了有限元分析模拟，得到了接管关键部位详尽的应力场和最大应力发生部位，并依据分析设计原理，对有限元结果进行了线性化处理，按照JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》进行强度评定，为该设备的安全运行提供了必要的理论依据。
      试验地点在某高压电器公司，应变片测试的位置如图所示。由于壳体的对称性，故测点主要布置在试件的一侧。沿3个截面布片，纵向对称平面截面，相贯线截面，联向对称平面截面，并在应力大的根部边缘多布片。对于已知主应力的测点，采用0-90加二向应变片。对于主应力方向不清楚点，采用三向应变，总共有26个测点根部，测点的应变片布置见图。为了消除应变的滞后现象，在应力测试前将压力从0缓慢升压至1.2MPa二次，再卸压，同时将应变仪调零。然后将试验压力从0缓慢增加到最高测试压力，在升压过程中记录下从0.0.0.5.1.0.1.5.20.25.3.0.3.5.4.0MPa(目的为找到壳体出现初始屈服压力的值)的各级应变值。取各测点各次实测应变值，用相应的应力应变公式，进行应力计算，得到各测点在不同压力下的Von Mises应力。由计算结果得知，各点应力测试数据基本符合线性关系。因最高工作压力为0.8MP，所以取对压力容器规定的1.25倍最高工作压力值1MPa的数据和有限元模型进行比较。
      断路器壳体设计压力为0.88MPa，筒体与接管的材料均为A5052合金管无在设计温度下材料的弹性模量E=195GP，泊松比0.3，设计应力强度48MPa。对于断路器壳体的变截面结构，完全按照实际尺寸建立有限元模型，需要大量的建模时间，在工程使用中具有一定困难。因此在考虑制造工艺和实际结构的基础上，采用了一个折中简化，壁厚尺寸分别采用相应的公称值和实际测量的平均壁厚。考虑到壳体结构和载荷的对称性，采用四分之一模型进行有限元分析。有限元程序采用ANSYS软件，单元类型选用三维8节点等参元(Brick8node45)。采用映射法自动生成网格，保证单元有较好的形态，网格划分沿厚度方向共分两层，沿主、支管方向也划分较多层，并在主、支管肩部和相贯线等高应力区采用加密网格，以保证高应力区有较高计算精度。整个壳体共划分345叶单元，7920个节点。有限元模型如图所示。在图所示的有限元模型中，对大径截面A约束x方向位移，对小径圆筒截面B约束z方向位移，在对称面C上施加x方向的对称约束，在对称面D和E上施加Y方向的对称约束。在壳体内表面分别施加0.88.1.00.200.3.00.4.00MPa的内压，用上述计算模型进行计算。
      将1MPa内压下纵向外截面、横向外截面的试验应力值与有限元计算结果比较列于图，由图可见，有限元结果与试验值较为吻合，应力分布形态基本一致，最大误差不超过12。由此表明，外壁应力最大点均发生在腹部区，这种情况与实际相符，证明有限元计算模型是正确的，可以根据此模型进行全面的应力分布研究。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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