第41卷第1期 2012年02月
船海工程
SHIP & OCEAN ENCINEERING
DOI;10.3963/j. issn. 1671-7953. 2012. 01.011
外压圆锥壳开孔应力集中系数分析
吴春芳"，吴君君?
Vol.41No.1 Feb.2012
(1.武汉船舶职业技术学院舶工程系，武汉430050;2.武汉理工大学交通学院，武汉430063）
摘要：采用有限元方法，对不同锥角开孔的应力集中系数的大小及分布规律进行分析，认为开孔倾斜角对应力集中系数影响较大，在实际应用中应严格控制。
关键调：外压：圆维壳：有限元分析；应力集中系数
中图分类号：U671
文献标志码：A
圆锥壳开孔与圆柱壳开孔一样具有重要的工程意义，由于圆锥母线与中心线的夹角，其开孔的力学特性比圆柱开孔复杂。目前，关于圆柱壳开孔的研究已比较成熟，关于在圆锥壳上开孔，具有代表性的研究是圆锥壳的精确解与等效圆柱壳的解的比较及讨论圆柱壳曲率半径保持恒定，而圆锥壳的半径是一个变化量，且是一非圆孔(2)。对圆锥壳开孔的影响因素比较多，力学规律比较复杂。本文旨在分析圆锥壳开孔大小、锥角等因索对应力集中系数及应力分布规律的影响，并分析围栏加强对降低应力集中系数的影响，提出圆维壳开孔的加强措施。
为了适应特定环境的需要，圆锥壳开孔中心线几乎可以与锥壳中心线平行，而圆柱壳是无法实现的。在外压作用下，圆锥壳开孔会导致应力集中，但关于应力集中的特点以及应力集中的量值均未见系统的研究。本文根据圆锥壳的开孔角度，将其分为三类，采用有限元方法，以锥角为变量，对圆锥壳开孔进行系列计算，分析应力集中系数的规律，为圆锥壳开孔设计提供理论依据。
1
圆锥壳开孔形式及参数定义
与圆柱壳一样.圆锥开孔也分为正交和斜交
开孔两种形式，开孔形式及参数见图1。然而圆锥壳正交开孔的定义没有圆柱壳那样明确。如果参照圆柱正交开孔“"的定义，圆锥正交开孔指的
收稿日期：2011=03=18 修国日期：201104-01
第一作者简介：吴春芳（1977-），女，硕士，讲师。研究方向：船舶设计
E-mail;Email:qiuyuan_cat @163. com 38
万方数据
文章编号：1671-7953(2012)01-0038-03
同链光外法线
开孔中心线
n
中心线
图1圆锥壳开孔形式及参数
是开孔中心线垂直于锥壳中心线，即α=90°（见图1）。由于圆柱壳母线同中心线平行，因此圆柱壳正交孔实际上是垂直于壳体的，根据这特性，圆锥壳的正交开孔也可定义为与圆锥壳母线垂直的开孔，即α=90°。以后一种形式作为正交孔的定义，前一种开孔作为一种典型的开孔形式。
为了表述应力集中的大小，定义应力集中系数为
k=g/g
式中：—开孔处的最大应力；
(1)
.——开孔中心的名义应力,α,=PRz/t。
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有限元模型的建立
主要分析理想圆锥壳开孔应力集中系数的大小及应力分布的规律，不对圆锥壳开孔结构进行强度校核，因此结构的计算载萄采用单位载荷，即计算压力p=1MPa。
锥壳开孔有限元模型采用shell63单元，开孔区域网格划分较小，单元最小尺寸不超过 30mm，并向四周过渡；对于大倾角开孔，开孔局部区域采用solid45单元。模型小端设置封板，大端刚性固定，小端仅留轴向以及转动自由度。