壓力容器分析設(shè)計(jì)的應(yīng)用

1有限元分析在國內(nèi)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀及發(fā)展壓力容器是廣泛使用于化工、石油、機(jī)械、原子能、原子能、工具設(shè)備等行業(yè)的壓力設(shè)備。食品、飲料和制藥等。目前壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)可分為基于彈性失效準(zhǔn)則的“規(guī)則設(shè)計(jì)”(DesignbyRule)和基于塑性失效準(zhǔn)則的“分析設(shè)計(jì)”(DesignbyAnalysis)。其中分析設(shè)計(jì)法是工程與力學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,它不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)所不能解決的問題,而且代表了近代設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平。我國分析設(shè)計(jì)規(guī)范是在美國ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范第八卷第2分篇的基礎(chǔ)上建立起來的,并于1995年在全國開始實(shí)施(見文獻(xiàn))。ANSYS公司于1970年由JohnSwanson博士創(chuàng)建,其總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡,開發(fā)的ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、軍工、電子、生物醫(yī)學(xué)、水利、石油化工、能源、航空航天等許多領(lǐng)域(文獻(xiàn))。30年來ANSYS軟件不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù),隨著交互方式的加入,簡(jiǎn)化了模型的生成和結(jié)果的評(píng)價(jià)。特別是其強(qiáng)大的后處理功能,大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員在有限元分析完成后的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析,減少了應(yīng)力分析設(shè)計(jì)時(shí)間,縮短了設(shè)計(jì)周期。本文介紹了如何利用ANSYS軟件中的應(yīng)力線性化原理和熱—結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算,在壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和操作過程,并完成了一個(gè)立式貯罐的應(yīng)力分析設(shè)計(jì),可供同行參考。2應(yīng)力分類方法塑性理論指出,由彈性應(yīng)力分析求得的各類名義應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性是不同的。根據(jù)等安全裕度原則,危險(xiǎn)性較小的應(yīng)力可以比危險(xiǎn)性較大的應(yīng)力取更高的許用應(yīng)力強(qiáng)度值。同時(shí),由板殼理論或彈性力學(xué)求解出的應(yīng)力,根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因和導(dǎo)出應(yīng)力的方法可分為三類共五種,即一次總體薄膜應(yīng)力(Pm)、一次局部薄膜應(yīng)力(PL)、一次彎曲應(yīng)力(Pb)、二次應(yīng)力(Q)和峰值應(yīng)力(F)。對(duì)其各自的作用機(jī)理和應(yīng)力強(qiáng)度極限可參考文獻(xiàn)。在壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)過程中,壓力容器部件設(shè)計(jì)所關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小,可采用沿壁厚方向的“校核線”來代替校核截面。而基于彈性力學(xué)理論的有限元分析方法,是一種對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化后再求解的方法。即它計(jì)算出來的是結(jié)構(gòu)離散化后結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。為了獲得所選“校核線”上的應(yīng)力分布規(guī)律及大小,就必須對(duì)結(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值進(jìn)行后處理,即應(yīng)力分類。目前應(yīng)力分類的方法有多種,文獻(xiàn)對(duì)三種應(yīng)力分類方法的原理進(jìn)行了比較。根據(jù)對(duì)所選“校核線”上的應(yīng)力進(jìn)行分類,得出各類應(yīng)力的值,若滿足強(qiáng)度要求,則所設(shè)計(jì)容器是安全的。3應(yīng)力分析的數(shù)學(xué)模型ANSYS軟件與任何一個(gè)有限元軟件一樣,其分析計(jì)算過程包括建立模型、施加載荷、求解計(jì)算、數(shù)據(jù)后處理。限于篇幅,本文僅介紹在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中使用較多的線性化原理和熱—結(jié)構(gòu)耦合的操作。ANSYS軟件求解分析過程的操作可參考ANSYS軟件所附帶的工作手冊(cè)。3.1本過程的線性化操作應(yīng)力線性化分類原理及計(jì)算公式可參考文獻(xiàn),下面主要介紹在完成有限元分析計(jì)算后,如何使用線性化原理得出所考慮“校核線”上的應(yīng)力分類值。在ANSYS軟件的后處理器(GeneralPostprocessor)中,用戶要查看結(jié)點(diǎn)或單元的計(jì)算結(jié)果,有三種方法可以實(shí)現(xiàn)。即:(1)用等值線(ContourPlot)的方式(包括彩色云圖或等值線);(2)采用向量方式(VectorPlot);(3)采用文本文件的方式(可以顯示或保存)。同時(shí),該軟件也可以用圖示或列表方式來顯示用戶所定義截面(ANSYS稱為路徑操作——PathOperation)上結(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的分布。線性化原理的操作主要是應(yīng)用在用戶所定義的截面上。其相應(yīng)的操作命令流程圖如圖1所示。路徑定義(DefinePath)的菜單如圖2所示。用戶可以通過單元的結(jié)點(diǎn)(ByNodes)、在當(dāng)前工作平面(OnWorkingPlane)上指定的點(diǎn)和通過點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值(ByLocation)等三種方式來定義路徑。由于在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中,所考慮的校核線一般是在容器壁厚,若結(jié)構(gòu)采用圖1操作流程圖映射方式(Mapped)劃分單元,則離散單元比較規(guī)則,采用單元結(jié)點(diǎn)方式定義路徑既快又簡(jiǎn)單。若采用自由方式(Free)劃分單元,某些地方的單元可能不規(guī)則,則必須采用其他兩種方式,但所得結(jié)果是通過對(duì)與定義路徑相近的結(jié)點(diǎn)或單元計(jì)算結(jié)果值進(jìn)行外插值而得到,該結(jié)果可能存在一定的偏差。建議在應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中,要盡力采用映射方式劃分結(jié)構(gòu)單元,以保證所得結(jié)果的精確度。同時(shí)在定義路徑時(shí),要給所定義的路徑指定一個(gè)名稱,不同的路徑最好采用不同的名稱。該路徑名在用戶退出后處理器后,將會(huì)自行取消。在定義路徑后,退出路徑定義菜單,回到路徑操作(PathOperation)菜單下,選擇RecallPath項(xiàng),將出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框,用戶可以在該對(duì)話框中指定要對(duì)哪個(gè)路徑進(jìn)行操作。在確定好路徑(或校核線)后,就可以對(duì)該路徑上結(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行線性化處理。在圖示方式(LinearizedStrs)中,每次只能顯示一個(gè)應(yīng)力分量的線性化結(jié)果。通過圖示方式,用戶可以看到某“校核線”上每個(gè)應(yīng)力分量在線性化后,其應(yīng)力分類包括薄膜應(yīng)力(Membrane)、薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力(Membrane+Bend)和總應(yīng)力(Total)的大小和分布規(guī)律,如圖6所示。在列表方式上,用戶可以在一個(gè)文本編輯窗口看到當(dāng)前指定路徑上的6個(gè)應(yīng)力分量和3個(gè)主應(yīng)力的線性化應(yīng)力分類結(jié)果,并允許用戶用文本文件的方式保存。3.2anasasim熱應(yīng)力分析按照文獻(xiàn)的建議,在應(yīng)力計(jì)算中,應(yīng)分別計(jì)算由外載荷引起的機(jī)械應(yīng)力和由溫差引起的熱應(yīng)力,原因是熱應(yīng)力全部屬于自限應(yīng)力。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元計(jì)算各結(jié)點(diǎn)的溫度,并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)(文獻(xiàn)),它包括穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱分析。由于大多數(shù)壓力容器在運(yùn)行過程中,其溫度的變化相對(duì)穩(wěn)定,在計(jì)算其熱應(yīng)力時(shí),只要利用穩(wěn)態(tài)熱分析即可。其分析步驟包括:(1)前處理,建模;(2)施加載荷,求解計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果寫入*.rth文件中;(3)后處理,用彩色云圖或等值線顯示結(jié)構(gòu)的溫度分布。具體細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)。ANSYS提供三種熱應(yīng)力分析方法即直接法、間接法和在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義結(jié)點(diǎn)溫度等,由于結(jié)點(diǎn)的溫度事先不知道,第三種方法不能使用,根據(jù)上面的分析,可采用第二種方法即間接法進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算,即首先進(jìn)行熱分析,然后將求得的結(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。其操作步驟為:(1)完成熱分析;(2)重新進(jìn)入前處理(Preprocessor),轉(zhuǎn)換單元類型(SwitchElementType),設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性;(3)施加結(jié)點(diǎn)溫度載荷(LoadApply),讀入熱分析(FromThermalAnalysis)的結(jié)果文件(*.rth),并設(shè)置參考溫度(ReferenceTemp.),完成計(jì)算(Solve);(4)后處理(GeneralPostprocessor),顯示結(jié)點(diǎn)的圖3熱應(yīng)力分析流程圖應(yīng)力分布,對(duì)校核線上的應(yīng)力進(jìn)行線性化處理,得到所要的數(shù)據(jù)結(jié)果。熱應(yīng)力分析的流程圖如圖3所示。4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析原理的建立圖4所示為某企業(yè)設(shè)計(jì)的ue07e700立式貯罐,其中手孔直徑88mm,材料為16MnR,設(shè)計(jì)壓力為13.5MPa,工作壓力為12.3MPa,彈性模量為201GPa,泊松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為1.0098×10-5℃-1,導(dǎo)熱系數(shù)為41.53776W/(m·K),殼內(nèi)溫度為50℃,傳熱膜系數(shù)為14.9796W/(m2·K),殼外溫度為-1.1℃,傳熱膜系數(shù)為5.8464W/(m2·K),許用應(yīng)力為161MPa,對(duì)該容器進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。由于篇幅有限,本文僅考慮對(duì)貯罐上半部即手孔—封頭—筒體進(jìn)行分析設(shè)計(jì),根據(jù)其結(jié)構(gòu)情況,上端結(jié)構(gòu)的分析模型和在壁厚方向的“校核線”如圖5所示。對(duì)圖5模型共劃分了273個(gè)8結(jié)點(diǎn)等參單元和924個(gè)結(jié)點(diǎn)。在完成有限元分析計(jì)算,所得計(jì)算結(jié)果滿足給定的精度要求后,應(yīng)用ANSYS的線性化原理,分別在工作壓力和設(shè)計(jì)壓力狀態(tài)下對(duì)校核線上的應(yīng)力進(jìn)行分類,其分類結(jié)果如表1所示。利用線性化原理對(duì)A-A校核線在設(shè)計(jì)載荷作用下,應(yīng)力分量σx進(jìn)行應(yīng)力分類,分類后應(yīng)力的大小分布規(guī)律如圖6所示。利用ANSYS的熱—結(jié)構(gòu)耦合原理對(duì)貯罐進(jìn)行熱應(yīng)力分析。按照本文3.2的計(jì)算步驟完成熱分析后,可得到結(jié)構(gòu)離散化后結(jié)點(diǎn)的溫度等值線分布,如圖7所示。其后接著可進(jìn)行熱應(yīng)力分析。在完成熱應(yīng)力分析后,就可以對(duì)校核線上結(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果,利用線性化原理完成其應(yīng)力分類。表2所示為A-A校核線在工作壓力下的應(yīng)力與熱應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于貯罐側(cè)面節(jié)管的評(píng)定,可