利用ANSYS對壓力容器進行破壞變形分析及優(yōu)化設計

黃倩花 孫寧

【摘 要】從工程實踐應用需求出發(fā)，利用ANSYS有限元軟件對壓力容器進行應力變形分析計算研究其變化規(guī)律；同時在遵循壓力容器設計原則的前提下，建立壓力容器的有限元模型進行優(yōu)化設計分析，以滿足強度和剛度的要求下使其質(zhì)量最小為目標，利用ANSYS的優(yōu)化功能分析模塊對承壓和壁厚進行分析，為優(yōu)化設計提供有價值的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】壓力容器 應力分析 優(yōu)化分析 有限元ANSYS

【Abstract】Taking engineering actual demand into account， ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition， finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis， which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time， optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness， provide theoretical basis with optimization.

【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software

1 引言

隨著科技的發(fā)展，壓力容器在眾多工業(yè)部門中有著廣泛的應用，對壓力容器的要求也越來越高。以往的壓力容器及其部件的設計基本采用常規(guī)設計法，以彈性失效準則為基礎，材料的許用應力采用較大的安全系數(shù)來保障。由于設計偏于保守使得設計的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費。

隨著工化設計朝著大型化，復雜化，高參數(shù)化方向發(fā)展，壓力容器部件越來越多的利用有限元壓力分析來完成。新的分析設計主要以塑性失效和彈塑性失效準則為基礎，比較詳細的計算了容器和承壓部件的應力，并利用大型有限元軟件ANSYS對壓力容器的壁厚及承壓進行優(yōu)化設計分析。

2 典型壓力容器有限元分析

2.1 基于ANSYS的壓力容器有限元分析

在分析過程中壓力容器將空間問題平面化，有限元模型選取PLANE42單元。在ANSYS軟件中采用直接建模的方法，省略壓力容器的其他結(jié)構(gòu)（如群座、螺栓等），并設定軸對稱選項，建立1/4軸對稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對稱面各節(jié)點約束水平向位移，筒體下端各節(jié)點約束軸向位移，內(nèi)壁施加均布荷載P=10Mpa.

2.1.1 對有限元模型施加邊界條件并求解

有限元分析的目的是了解模型對外部施加荷載的響應。在本例中，模型受到的荷載有內(nèi)壓，外壓，重力以及支撐力，考慮到重力，外壓和支撐力相對內(nèi)壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對內(nèi)壁施加線荷載P=10Mpa，接下來進入求解處理器進行求解，獲得位移云圖及應力云圖，如圖2-1，2-2示。

圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時的應力云圖

圖中位移及應力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應力的最大值，藍色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現(xiàn)在筒體下端，為1.2mm；應力的最大值出現(xiàn)在筒體與端部過渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。

2.1.2 結(jié)果分析

圖2-1，2-2反映了筒壁受內(nèi)壓作用后結(jié)構(gòu)模型的位移、應力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內(nèi)壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預期相符；（2）筒壁沿軸向應力分布是不均勻的，應力最大出現(xiàn)在筒體與端部進氣管的過渡處。這是因為模型進氣管處尺寸發(fā)生了較大變化，導致應力集中，所以數(shù)值模擬結(jié)果是合理的；（3）通過對筒壁進行強度校核表明，當材料采用Q235-A時，壓力容器的最大應力值遠小于其許用應力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢的。

2.2 壓力容器承壓能力的分析

上述結(jié)果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結(jié)果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應力值隨壓力的變化曲線圖。

從圖中可以看出：（1）位移和應力均隨著壓力的增加而變大，變化速率由大變小最后趨于平緩；（2）分析位移及應力的變化曲線表明，自開始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時，變化增長緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學性能有關(guān)：鋼材從加載到拉斷，有四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。從加載到某一定值時曲線呈直線變化是因為鋼材處于彈性階段，再繼續(xù)加載曲線出現(xiàn)平緩是因為鋼材進入屈服階段，產(chǎn)生塑性變形。所以也可以證明該有限元分析的可靠性；（3）從圖中易找出曲線從直線段過渡到平緩段的臨界點，即壓力15Mpa，此時該模型的最大位移為2.03mm，最大應力值為168Mpa（小于許用應力235Mpa）。

圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應力隨承壓的變化曲線

2.3 壓力容器厚度的優(yōu)化設計

為了充分提高壓力容器的整體性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“彈塑性失效”準則，以板殼理論，彈性與塑性理論及有限元方法，根據(jù)具體工況，對壓力容器各部位進行詳細的應力計算及分析，在不降低設備安全性的前提下選取相對較低的安全系數(shù)，從而降低結(jié)構(gòu)的厚度，使材料得到有效利用。

上述承壓15Mpa時該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應力值168Mpa小于其許用應力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發(fā)揮最大強度。所以在臨界承壓15Mpa的作用下試將原筒壁厚度25mm變?yōu)?0mm，21mm，22mm，30mm進行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線。

圖2-5 最大位移值隨筒壁厚度的變化曲線 圖2-6 最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線

由圖可以看出：（1）在臨界承壓15Mpa下，容器的最大位移值、最大應力值均隨著筒壁厚度的增加而減??；（2）從最大應力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當壁厚為21mm時其最大應力值為231Mpa小于其許用應力。故此可以認為在臨界承壓下，該壓力容器的最優(yōu)筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發(fā)揮較高的強度。

3結(jié)語

本文采用ANSYSY軟件對壓力容器的位移、應力進行了較為詳細的分析，同時對壓力容器在滿足給定剛度和強度條件下進行厚度最小的優(yōu)化設計。研究計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1）壓力容器在受內(nèi)壓時，筒體中間位置變形最大，最大應力則發(fā)生在端部進氣管與筒體的過渡處；

（2）在該給定容器的條件中，可以得到此容器的最大臨界承壓為15Mpa，此時的剛度、強度及應力均滿足要求；

（3）為了最大發(fā)揮材料的用途，在滿足給定強度和剛度條件下對該容器進行優(yōu)化設計，可以得到其最優(yōu)筒壁厚度為21mm。

同時也可以看出ANSYSY軟件對分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設計成本和設計周期，也為更復雜的結(jié)構(gòu)設計提供了新的方法。

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