基于ANSYS的矩形截面壓力容器的參數化分析

王家海，李紅梅，施玉安

（1. 同濟大學 機械工程學院，上海 201804；2.上海北玻鍍膜技術工業有限公司，上海 201614）

0 引言

壓力容器是化工、石油、冶金、輕工、紡織、機械以及航空航天工業中廣泛使用的承壓設備。壓力容器的基本要求是安全性和經濟性，安全性是核心問題[1]。矩形截面容器是工業中常用的生產設備，由于其結構形狀的復雜性，傳統的常規分析方法具有局限性，對其進行結構分析很繁瑣，甚至無法計算。因此，可以采用有限元分析方法對其進行應力分析，以保證其強度、剛度滿足要求。

進行有限元分析時，需要反復進行“建模-網格劃分、施加載荷約束-求解-結果后處理”，直到完成最終的結構設計。此過程中重復工作量非常大，延長了產品的設計周期。為了縮短設計周期，提高效率，對ANSYS進行二次開發，從而加快分析速率。

1 參數化分析

ANSYS分析問題時的標準步驟為：建立模型、劃分網格、加載和求解、結果后處理。在實際工程應用中，需根據分析結果不斷修改設計或對原有產品進行系列化設計，每一個新的設計都需要進行分析評定，分析時必須按照上述步驟進行，耗費了大量的時間，為了解決上述問題，利用ANSYS提供的參數化設計語言APDL進行參數化建模分析。

通過APDL參數化設計語言，建立相應的用戶交互界面，就可以實現參數化的建模、參數化的劃分網格、參數化的材料定義、參數化的加載和邊界條件定義、參數化的分析控制求解和參數化的結果后處理[2]。分析流程如圖1所示。

圖1 參數化分析流程圖

利用ANSYS參數化設計語言APDL進行二次開發，在ANSYS中聲明宏定義，開發友好、易用的人機交互界面并制定相應的工具欄，將宏和工具欄按鈕建立一一對應的關系，然后通過單擊按鈕，在彈出的界面中輸入相應的參數，實現宏的調用，完成整個有限元分析的全過程。當分析結果不滿足要求時，只需更改尺寸參數，即可完成分析。

2 壓力容器設計方法

2.1 常規設計與分析設計

目前，壓力容器設計所采用的標準規范有兩大類：一是常規設計（Design by rule）標準；另一類是分析設計（Design by analysis）標準。常規設計是以彈性設計準則為基礎，以殼體的薄膜理論或材料力學導出計算式常規設計從本質上講，是基于經驗的設計方法[3]。將應力限制在許用應力[σ]以下，使設計過于保守。因此，現實的設計已經很少采用常規設計標準。

分析設計采用塑性失效與彈塑性失效準則，允許結構內出現可控制的局部塑性變形，允許對峰值應力部位進行有限壽命的設計[3]。隨著有限元分析方法的出現，各種分析軟件的使用，使壓力容器采用分析設計成為可能。根據應力產生的原因、作用的部位對容器的應力進行分類，按不同的設計準則來限制，防止容器的失效，使材料的承載能力達到最大的利用。

2.2 等效線性化

所謂等效線性化就是把實際應力曲線用靜力等效的辦法做線性化處理[3]。對壓力容器進行分析設計時，必須把一次總體薄膜應力Pm、一次彎曲應力PL、一次局部薄膜應力Pb、二次應力Q、峰值應力F從計算的總應力中分離出來。再根據壓力容器分析設計標準，對不同類型的應力加以控制。等效線性化方法是進行應力分類的常用方法。

3 應用實例

3.1 問題描述

某矩形截面真空容器，設計溫度T〈200℃，設計壓力P＝0.101MPa，材料均為16MnR，彈性模量E＝2.05×105MPa，泊松比γ＝0.3，常溫下設計應力強度Sm＝188MPa，材料許用應力[σ]＝157 MPa。對容器進行機械強度分析。結構模型如圖2所示。

3.2 問題分析

此結構整體采用焊接方式，結構形式較為復雜，分布有各種外接儀器、管道的孔、加強筋等結構。為了提高有限元分析的速率，對ANSYS進行二次開發，建立相應的參數化分析模塊。

圖 2 矩形截面真空容器

利用*ABBR定義縮寫按鈕，添加到工具條中。命令為：

*ABBR,MODEL,MODEL_MAC

*ABBR,STATIC,STATIC_MAC

*ABBR,STRESS,STRESS_MAC

單擊工具條上的縮寫按鈕，即可調用不同的宏實現不同的有限元分析功能。

3.3 建立基于APDL的參數化有限元分析模型

矩形截面真空容器模型較復雜，建模時涉及的面、體比較多，而且需要對這些對象進行重復性操作，因此利用APDL進行參數化建模時最好不要直接利用對象的編號進行操作，建議將需要進行不同操作的對象選擇出來后編成不同的組件，一旦創建了組件，就可以將它們當作操作對象進行直接操作。這樣即使參數改變，相應的組件也會跟著變化，保證了模型建立的正確性。

通過建立如圖3所示的界面，輸入相應的模型尺寸，系統就會自動生成相應的有限元模型。

圖3 交互式參數輸入界面

3.4 結果分析

3.4.1 應力分析

對有限元模型施加約束和載荷，分析求解，利用后處理器處理后得到矩形截面真空容器的應力分布云圖如圖4所示。

由圖4知，最大應力發生在底部槽型筋與底部連接板連接處，最大強度值為170.12MPa。最大變形發生在主底板上，最大變形為1.57mm。容器殼體及其余部分所受壓力較小，所以不會發生失效。

圖4 矩形截面真空容器應力分布云圖

3.4.2 設計改進

真空容器在工作時，需在主底板上安裝傳動底座，為保證傳動軸水平，主底板不應有過大的的變形，因此在最大變形處增加加強筋，以減小變形。

利用參數輸入界面輸入容器尺寸，在槽型筋之間增加加強筋，對改進的真空容器進行分析，結果如圖5所示。

由分析結果比較可知，最大變形由1.57mm減小到1.19mm。

3.4.3 應力線性化分析

殼體的支撐區是高應力區，根據分析設計方法，提取ANSYS分析中的應力分類結果并加以識別。對底部槽型筋與底部連接板連接處沿厚度方向定義路徑，圖形顯示應力線性化結果如圖6所示。

在矩形截面真空容器殼體、槽型筋、底部連接板的連接處，當容器處于工作狀態，內部為真空，殼體外部承受大氣壓時，將產生薄膜應力PL和彎曲應力Pb。應力強度類型為SⅢ。

圖5 改進矩形截面真空容器應力分布云圖

根據JB4732《鋼制壓力容器-分析設計標準》，一次局部薄膜應力加一次彎曲應力強度SⅢ（由PL＋Pb算得）的許用極限為1.5KSm，即

圖6 應力線性化結果

根據圖5應力線性化結果，提取MEMBRANE PLUS BENDING,為67.87MPa，滿足應用強度評定 PL＋Pb〈1.5KSm（其中 K 取 1.0）。

4 結論

本文通過利用ANSYS中的參數化語言APDL實現了矩形截面真空容器的參數化分析，簡要的介紹了其中的關鍵技術和實現方法，結合相應的實例進行了驗證，并得出以下兩點內容：

1）利用ANSYS參數化設計語言（APDL）進行二次開發，制定相應的工具欄按鈕，然后就可以通過單擊按鈕的形式調用宏程序，在界面中輸入參數，實現了參數化分析。大大的減少了分析人員在分析過程中的重復、大量建模的時間，從而提高了分析的效率。此方法即適用對已用產品的驗證、改進，又適用對新產品的開發。

2）對容器關鍵部分進行線性化處理，進行應力分類，根據分析設計標準對其加以限制，保證容器不發生失效。利用ANSYS進行有限元應力分析是實現壓力容器分析設計的有效手段。

[1] 余偉煒, 高炳軍. ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2007.

[2] 包陳, 王呼佳. ANSYS工程分析進階實例(修訂版)[M].北京: 中國水利中國水利水電出版社, 2009.

[3] 李建國. 壓力容器設計的力學基礎及其標準應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.

[4] JB4732-1995. 鋼制壓力容器——分析設計標準[S]. 北京: 機械工業出版社, 1995.

[5] 董龍梅, 楊濤, 孫顯. 基于ANSYS對壓力容器的應力分析與結構優化[J]. 機械設計與制造, 2008, 6, 99-100.