基于FEM理論和ANSYS軟件對(duì)加強(qiáng)圈對(duì)外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響分析

尤少煒，朱春禹，李永劉，王金玲（大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連 116000）

基于FEM理論和ANSYS軟件對(duì)加強(qiáng)圈對(duì)外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響分析

尤少煒，朱春禹，李永劉，王金玲
（大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連 116000）

為增強(qiáng)容器的剛性和穩(wěn)定性而固定于容器的內(nèi)側(cè)或外側(cè)的環(huán)狀構(gòu)件稱(chēng)為加強(qiáng)圈。在外壓容器設(shè)計(jì)中，有無(wú)加強(qiáng)圈以及加強(qiáng)圈的大小、形狀與圓筒臨界失穩(wěn)壓力有著密切的關(guān)系。以有限單元分析法（FEM）為基礎(chǔ)，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)加強(qiáng)圈對(duì)外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響進(jìn)行量化分析。

加強(qiáng)圈；外壓容器；有限單元分析法；ANSYS軟件

1　有限單元分析法（FEM理論）和ANSYS軟件介紹

1.1FEM理論

有限元分析（FEM理論）是利用數(shù)學(xué)近似的方法來(lái)對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。在這種方法中一個(gè)物體或系統(tǒng)被分解為由多個(gè)相互聯(lián)結(jié)的、簡(jiǎn)單、獨(dú)立的點(diǎn)（有限元）組成的幾何模型，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。

1.2ANSYS軟件介紹

有限元分析軟件ANSYS是工程上常用的大型有限元分析軟件。ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊，可以進(jìn)行電磁、力學(xué)、流體、溫度等多物理場(chǎng)的有限元計(jì)算和耦合。

2　外壓容器加強(qiáng)圈的定義和作用

外壓容器失穩(wěn)是化工設(shè)計(jì)中廣泛研究的問(wèn)題。提高失穩(wěn)臨界壓力的方法主要有兩個(gè)：增加圓筒厚度δ或減小圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L。后者更具經(jīng)濟(jì)性。工程上要減小圓筒計(jì)算長(zhǎng)度，一般會(huì)在圓筒外部或內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈可以提高容器的承壓能力，同時(shí)也可以減小殼體厚度，提升剛性和穩(wěn)定性。

3　加強(qiáng)圈對(duì)臨界失穩(wěn)壓力的影響

3.1材料和幾何結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用常見(jiàn)的壓力容器用材Q345R，分別計(jì)算討論不同加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)對(duì)外壓容器臨界壓力的影響，其實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2有無(wú)加強(qiáng)圈的FEM彈塑性失穩(wěn)分析

本次數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1，考慮有初始許可小缺陷，對(duì)筒體的中間加一個(gè)加強(qiáng)圈和沒(méi)有加強(qiáng)圈分別建立有限元模型進(jìn)行分析求解，其模型建立和求解過(guò)程如下（假設(shè)材料為理想彈塑性材料）。

3.2.1有限元模型

本文采用ANSYS12.0有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，利用參數(shù)化語(yǔ)言APDL，建立參數(shù)化模型。

3.2.1.1單元選擇與實(shí)常數(shù)

對(duì)于各向同性低碳鋼材料，不考慮幾何非線(xiàn)性，選用SHELL181單元。該單元是一種4節(jié)點(diǎn)3D殼單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，即沿X，Y，Z方向的移動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3.2.1.2邊界條件

簡(jiǎn)支短圓筒的邊界條件：一端施加軸向位移約束；兩端均施加環(huán)向位移約束。

3.2.2特征值法

利用ANSYS12.0軟件進(jìn)行特征值失穩(wěn)分析。

特征值法屈曲分析（線(xiàn)性屈曲）是以小位移、小應(yīng)變的線(xiàn)彈性理論為基礎(chǔ)，假定屈曲發(fā)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)形才會(huì)轉(zhuǎn)移到另一平衡位置，其他受載過(guò)程不會(huì)影響構(gòu)形，其屈曲載荷由以下線(xiàn)性廣義特征值方程確定。（［K0］+λ［Kσ］）u=0

3.2.3求解過(guò)程

利用ANSYS12.0軟件進(jìn)行特征值失穩(wěn)分析。其步驟為：

①建立幾何模型或有限元模型；

②打開(kāi)應(yīng)力效應(yīng)選項(xiàng)，以獲得失穩(wěn)分析用的應(yīng)力剛度，進(jìn)行靜力求解；設(shè)定靜態(tài)分析類(lèi)型。在短圓筒的外表面施加載荷1MPa。

③設(shè)置屈曲模態(tài)數(shù)目和擴(kuò)展選項(xiàng)，進(jìn)行特征值屈曲求解；模態(tài)分析理論選擇組中選擇 Block Lanczos法并提取1階模態(tài)輸出。

④觀(guān)察結(jié)果，得到各個(gè)屈曲模態(tài)的解。

由此完成圓筒彈塑性失穩(wěn)非線(xiàn)性分析，可分別得到有無(wú)加強(qiáng)圈的臨界失穩(wěn)壓力，其具體結(jié)果為有加強(qiáng)圈的圓筒臨界壓力為3.389MPa，無(wú)加強(qiáng)圈則為1.554MPa。這說(shuō)明在筒體增加加強(qiáng)圈能較好地提高其臨界失穩(wěn)壓力，即提高筒體的穩(wěn)定性。

3.3不同加強(qiáng)圈尺寸對(duì)臨界壓力的影響分析

表2　不同h值（b=20mm）的臨界失穩(wěn)壓力

表3　不同b值（h=60mm）的臨界失穩(wěn)壓力

對(duì)表2和表3中的數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)b為定值時(shí)，h值增大，其相應(yīng)的臨界失穩(wěn)壓力呈減少的趨勢(shì)，這與加強(qiáng)圈的理論結(jié)論有出入，這可能是因?yàn)閎值選得不合適或初始缺陷的影響所導(dǎo)致；而當(dāng)h為定值時(shí)，b值增大，其相應(yīng)的臨界失穩(wěn)壓力呈增大的趨勢(shì)，這與加強(qiáng)圈的理論結(jié)論是一致的。這表明選擇合理的h值和b值能增大筒體的臨界失穩(wěn)壓力，提高筒體的穩(wěn)定性。

［1］ 張宗堯，趙石軍.基于A(yíng)NSYS的外壓容器穩(wěn)定性分析［J］.一重技術(shù)，2010，（2）：1-2.

［2］ 李志義，喻健良，劉志軍.過(guò)程機(jī)械［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：67-73.

The Strengthening of the External Ring Pressure Cylinder Critical Pressure Impact Analysis Based on Fem Theory and Ansys Software

You Shao-wei，Zhu Chun-yu，Li Yong-liu，Wang Jin-ling

In order to enhance the rigidity and stability of the container is fixed to the annular member inside or outside of the container called stiffening ring.External pressure vessel design，with or without stiffening ring and the size of the stiffening ring，the cylindrical shape of the critical buckling pressure is closely related.Finite element analysis（FEM）based on application of ANSYS software to enhance the impact of external pressure cylinder ring critical buckling pressure of quantitative analysis.

stiffening ring；external pressure vessel；finite element analysis；ANSYS software

TQ320.724

A

1003-6490（2016）05-0237-02

2016-04-27

尤少煒（1995—），男，天津人，本科在讀，主要研究方向?yàn)檫^(guò)程裝備、化工容器。