基于 ANSYS 的壓力容器可靠性分析

張養治，馬文江

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

基于 ANSYS 的壓力容器可靠性分析

張養治，馬文江

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

ANSYS 是一種大型通用的有限元分析軟件，在眾多的領域中都可以進行很好的應用。本文主要就大型通用的有限元分析軟件ANSYS 在壓力容器可靠性分析中機械的可靠性理論、模型的建立、加載及求解三個方面的內容進行論述。

ANSYS；壓力容器；可靠性分析；機械；模型；加載及求解

隨著經濟的發展和社會的進步，人們對于產品的質量與品質有著越來越高的要求。其中可靠性成為了一個重要的衡量標準。機械結構的可靠性及其設計對于機械結構的可靠度具有直接的決定性影響。因此，對于機械可靠性的設計指標進行嚴格的控制，有利于機械產品的設計工作符合設計的參數要求。比如對于機械產品的材料性能、零部件的尺寸、載荷等進行嚴格的控制，可以對機械產品的這些隨機的變量進行合理的控制和分析，得到較為合理的設計變量范圍。因此，本文主要就 ANSYS 在壓力容器可靠性分析中其機械的可靠性理論、模型的建立、加載及求解問題進行分析和研究，以便于我們進行壓力容器的安全性設計與分析工作，全面提高壓力容器的質量與安全，有利于其在眾多的領域中進行廣泛性的應用，為這些行業的發展與進步做出更大的貢獻。

1 機械的可靠性理論

一般情況下，可靠性的研究對象有電子與電氣的可靠性、機械的可靠性、零件與系統的可靠性、軟件與硬件的可靠性等等。而廣義上的可靠性也指某一對象的有效性與維修性。而可靠性往往在很大程度上與產品的設計有極大的關系。而可靠性的設計在眾多的領域中都進行了應用。比如：汽車、飛機、機械產品的重要零部件等等都可以應用可靠性的設計來完成。ANSYS 是一種大型通用的有限元分析軟件，它可以通過與計算機信息技術的融合性應用來實現數據的共享與交換。

ANSYS 是集流體分析、融結構分析、磁場分析、電場分析、聲場分析為一體的有限元分析軟件，具有技術先進、方便快捷的特點。因此它在眾多的領域中都可以進行應用。因此，ANSYS 已成為現在國際上最為流行的有限元分析軟件，已經被眾多的院校在進行可靠性分析教學中進行使用。而壓力容器具有非常多的類型。比如按照產品的品種進行劃分，其主要有反應類型的壓力容器、換熱類型的壓力容器、分離類型的壓力容器、存儲類型的壓力容器等。壓力容器因為具有對安全性要求高的特點，因此對其可靠性進行科學、仔細的研究與分析就具有了非常重要的意義。而將 ANSYS 有限元軟件與壓力容器的可靠性分析進行結合，可以應用 ANSYS 有限元軟件的網絡化技術優點，對于壓力容器的可靠性進行更加直觀性、科學性的分析，有利于我們對壓力容器的一些相關數據進行完整性的分析與求解，最終驗證壓力容器的可靠性。其中，基于 ANSYS在壓力容器可靠性設計，與一般機械產品的設計具有非常大的不同，其主要有以下三個特點。

第一，基于 ANSYS 的壓力容器其安全系數的取值不僅僅與可靠性設計中的應力、強度均值有關，還與曲線的離散程度有關。而一般的機械性產品只需對可靠性設計中的應力值、強度數值隨曲線的分布特點進行分析。從這一點來看，可靠性壓力容器設計中安全系數可以通過 ANSYS 有限元軟件中的函數在計算機中進行直觀化的展現，可以更為真實地反映出壓力容器的最真實狀態。

第二，壓力容器可靠性設計中對于強度的考慮隨時間的增長而減弱，導致可靠性的表達具有時間的限制。因此我們完全可以依據可靠性的設計來預測壓力容器的使用壽命。具體來講，壓力容器在經過了多少小時后，其失效的概率是多少。

第三，壓力容器的可靠性設計與其周圍的環境條件具有非常大的關系。比如環境介質、溫度的變化、沖擊振動等因素都對于壓力容器的可靠性設計起著非常重要的影響。其中對于分析壓力容器的可靠性，往往可以通過對其應力值與強度值之間的關系進行分析與實現。比如：其強度值大于應力值，表示該壓力容器具有可靠性的特點，它是在進行正常的工作。

而強度值與應力值都是連續變化的變量，我們可以通過有關的分析將其繪制在同一坐標中進行分析。而它們主要呈現出三種情況。第一，強度值與應力值概率密度函數曲線不重疊、所有的強度值都大于最大的應力值。第二，強度值概率在坐標軸中左移、強度值與應力值概率曲線有一部分發生了重疊，導致一部分的強度值小于應力值中的較高取值。第三，強度值概率在坐標軸中與以往比較繼續左移，使得強度值與應力值的坐標曲線完全不重疊，導致所有的應力分布值都大于最大的強度值。對于以上的理論進行仔細的研究，有利于我們依據這些理論建立起有效基于 ANSYS的壓力容器可靠性分析的模型，并且對于模型中的數據與信息進行驗證和求解。

2 模型的建立

ANSYS 作為一種大型通用的有限元分析軟件需要與現代的網絡計算機技術進行融合性的應用。因此，我們對于基于 ANSYS 的壓力容器可靠性進行分析，就可以采用構建出網絡模型的方式來進行。比如：我們構建出一個帶接管的內壓容器對其進行有效的分析，如圖1。

圖1 帶接管的內壓容器

這個帶接管的內壓容器主要的參數有接管尺寸508mm×10mm,容器尺寸2200mm×18mm,補強圈尺寸 1000mm×18mm,彈性模量 2.1×105MPa，受均布內壓 1.0MPa，容器半徑服從正態分布 5.5mm，其應力值服從 1.83mm，容器壁厚服從正態分布18mm，其應力值服從 0.36mm，接管半徑服從正態分布 254mm，其應力值服從 0.42mm，接管壁厚服從正態分布 10mm，其應力值服從 0.2mm，揚氏彈性模量服從正態分布 young，其應力值服從young×0.02，均布內壓服從正態分布 pressure，其應力值服從 pressure×0.05。因此，我們根據模型對稱的結構，建立具有四分之一的有限元實體模型的壓力容器，在模型的斷面處對于對稱邊界進行約束，對于其連續對稱性結構進行模擬。將壓力載荷施加在容器的內表面，對其實體模型進行網絡化的劃分。因此，我們通過對于帶接管的內壓容器在正態分布情況下的分布進行分析，就可以通過對此模型的應用及可靠性的公式進行該壓力容器可靠性系數的求解，最終建立起壓力容器強度值與應力值的概率密度函數，通過有關的運算，對于隨機的變量進行全面的分析與求證。比如通過對于聯結方程的運用，可以使壓力容器的應力、強度等的數字特征以及它們的隨機變量在標準正態分布表中進行集中性的展示，最終得出可靠性的聯結系數。

3 加載及求解

完成以上的模型構建之后，我們需要對于基于ANSYS 的壓力容器模型進行加載與求解。

具體來講，第一，帶接管的壓力容器的最大變形量為 1.432mm，使其最大強度值的可靠度保持在95% 左右。第二，對于帶接管的壓力容器的最大應力值做輸入變量的敏感性分析。第三，如果帶接管的壓力容器的強度值與應力值都是常規的實數，我們需要對于其強度值及應力值的常規實數進行求解，即應用 ANSYS 中的結構靜力學進行分析，計算其在固定不變下載荷作用結構的效應，使該帶接管的壓力容器最大變形量的數值為 1.644mm。通過以上的步驟后，我們就會得出帶接管的壓力容器真實的強度值與應力值，再通過其理論中的強度值始終大于最大的應力值，就可以得出該壓力容器具有非常好的穩定性，可以進行安全的應用。

4 結語

對于基于 ANSYS 有限元分析軟件的壓力容器可靠性問題進行科學、有效的分析與論述，我們可以應用彈性力學、概率論、數理統計等理論建立起的可靠性分析理論，對于壓力容器可靠性分析與傳統的方式進行合理化的比較，可以使分析、計算的結果更加的準確、客觀、全面、科學，為我們進行壓力容器的可靠性設計與分析提供了重要的依據，保障了設計出來的壓力容器具有安全性的特點。

[1]林有志，劉凌霜，宋愛斌，等 . 機械可靠性設計的研究現狀與進展 [J]. 科學之友，2014,17(6):3～4．

[2]胡志棟，趙小強 . 基于 ANSYS 的木質基復合材料的靜力學分析 [J]. 森林工程，2013,26(5):37～40．

[3]張小勤，莫才頌 . 機械零部件的可靠性設計分析 [J].茂名學院學報，20014(2):28～31.

TH49

A

1671-0711（2017）03（下）-0186-02