基于Ansys的壓力容器多物理場耦合分析研究綜述

周美君 段 洋 丁曉紅

(1.上海理工大學機械工程學院；2.上海電氣集團股份有限公司中央研究院)

基于Ansys的壓力容器多物理場耦合分析研究綜述

周美君1段 洋2丁曉紅1

(1.上海理工大學機械工程學院；2.上海電氣集團股份有限公司中央研究院)

基于Ansys有限元分析軟件,總結壓力容器多物理場耦合(熱固耦合、流固耦合和熱流固耦合)分析理論及其研究成果。

壓力容器 熱固耦合 流固耦合 熱流固耦合 Ansys

壓力容器是一種廣泛應用于化工、機械、核電及航空航天等領域的重要承壓設備，其設計成敗嚴重影響著企業制造成本、設備使用效率和生產的安全穩定性[1]。為此，筆者對壓力容器的多物理場耦合(熱固耦合、流固耦合和熱流固耦合)分析研究成果進行了總結，以期為今后壓力容器的結構設計提供技術支持。

1 壓力容器的熱固耦合分析

壓力容器在實際應用中除了受到由內外壓或其他外力帶來的機械應力外，若容器溫度場發生改變，還會受到由內外各種約束而使之不能自由膨脹所產生的熱應力。熱應力對于壓力容器的影響是不可忽視的，尤其對于處在高溫或低溫工作環境下的壓力容器，如果熱應力過高將會造成容器失效。

熱應力是溫度場和應力場共同作用的結果，溫度場和應力場互相作用的問題叫做熱固耦合問題。Ansys在求解熱固耦合問題時主要有兩種方法：直接耦合法和間接耦合法。直接耦合法直接選用耦合單元進行分析，可以直接得到溫度場和熱應力的結果。間接耦合法也叫順序耦合法，該方法先對容器進行熱分析，得到溫度場的分布后將熱單元轉變為結構單元，將溫度場作為體載荷施加到之后的應力分析中，最后得到熱應力的分布，從而對容器應力強度進行評定[2]。

加氫反應器是有機化學實驗室和實際生產過程中一種非常重要的壓力容器[3]，由于長期工作在高溫高壓、臨氫等惡劣條件下，反應器筒體極易發生高溫氫蝕現象，長此以往必定影響反應器的結構強度和工作效率。蔡昌全等利用Ansys有限元分析軟件，分別對R-301加氫反應器筒體在穩定狀態和啟動狀態下的熱應力進行了分析[4]。為了防止化學腐蝕，加氫反應器內壁設有不銹鋼堆焊層。同時，考慮到容器的幾何軸對稱性和模型承受的對稱載荷作用，蔡昌全等選取軸向長度為200mm的筒體界面作為研究對象，建立的幾何模型如圖1所示。結果表明，無論在穩定狀態還是啟動狀態下，堆焊層與基層交界處的熱應力最大。相比在啟動狀態下，穩定狀態下的外壁溫度較高，且外壁熱應力下降0.3MPa左右，說明溫度的快速上升對熱應力具有一定的影響。

圖1 R-301加氫反應器筒體界面的幾何模型

張騫等針對不同組分多層復合材料球形壓力容器，分別利用小變形線彈性理論計算方法和Ansys有限元數值分析方法，對覆層(過渡層和耐蝕層)和基層在熱固耦合作用下的力學特性進行了對比。結果表明，兩種方法得到的結果完全吻合，使得單一算法的不確定性問題得以解決，同時驗證了Ansys有限元分析計算的準確性[5]。

甲烷化反應器是一種同時承受變溫載荷和壓力載荷的化學反應壓力容器。文獻[6～8]以甲烷化反應器為研究對象，利用Ansys有限元分析軟件，對反應器進行了熱固耦合分析，并在熱固耦合分析的基礎上對反應器進行了疲勞分析。結果表明，疲勞系數和循環次數的最小值均發生在甲烷化反應器器壁與入口接管連接處，說明此處最不安全且易發生疲勞破壞，循環次數的最小值即為設備壽命。

吳洪強等采用Ansys對纖維改性壓力容器進行熱固耦合分析，發現熱應力最大處發生在封頭處[9]，為了改進這一問題，他們提出兩種方法。第1種是將矩形加強圈焊接于壓力容器內部，以增強容器強度。首先計算出加強圈所需的慣性矩[10]，確定加強圈尺寸，根據尺寸對加強圈進行應力校核，若滿足條件即可選用。針對加強圈數量為0、1、2、3時的情況，對壓力容器進行了熱固耦合分析，得到的壓力容器最大變形量見表1。第2種方法是增加封頭壁厚，分別針對封頭壁厚為20、25、30、35、40、45mm時的情況，對壓力容器進行熱固耦合分析，得到的壓力容器最大應力見表2。通過對結果的分析，最終選擇3個加強圈、封頭壁厚45mm作為壓力容器的最終設計方案。以最終方案設計的壓力容器為對象，再次進行熱固耦合分析，得到最大壓力降低約40%，最大變形量降低約70%，因此該方案更加合理且滿足要求。

表1 壓力容器最大變形量

表2 壓力容器最大應力

王充等針對石油化工行業中存在的熱套式壓力容器壁厚增加和溫差應力增大問題，采用間接耦合法得到了熱套式壓力容器的徑向應力、應變和環向應力、應變[11]。張劍以液氮生物容器為研究對象，同時考慮到容器在運輸過程中的慣性力載荷，對容器進行了熱應力計算，對應力集中區域進行了線性化分析，發現在實際使用過程中容器的下部支撐處是應力水平最高的部位[12]。Willschütz H G等利用Ansys，以輕水反應堆壓力容器為研究對象，結合熱力學和結構有限元方法，描述了蠕變和損傷參數模型[13]。

2 壓力容器的流固耦合分析

在化工、石油、海洋、船舶及水利等領域中，壓力容器作為儲液容器，起到了至關重要的作用。液體的流動和波動會給壓力容器帶來沖擊壓力，從而影響壓力容器的安全性和使用效率。同時，壓力容器的變形會導致流體的性質發生改變。類似這種流體與固體相互作用的問題，叫做流固耦合問題。

Ansys有限元分析軟件主要有兩大模塊用于流體分析：Fluent和CFX。這兩個模塊可以通過UDF接口程序和Ansys關聯起來。Fluent計算速度更快、精度更高，且在網格劃分方面也更有優勢；CFX不需要進行流固交界面的匹配，系統自動默認流固交界面的屬性，這極大地節省了計算時間[12]。

流固耦合問題的處理方法分為流固單向耦合和流固雙向耦合兩種。單向耦合方法適用于流場對固體作用后，固體變形很小的情況，即流場邊界基本不變的情況。先利用軟件計算出流場的分布情況，然后將計算結果作為載荷加載到固體域上進行計算。但當固體變形較大時，流場的邊界也會隨之改變，這時就會同時存在流場對固體域應力的影響和固體變形對流場分布的影響，兩者相互作用，最終達到平衡狀態，所以需要進行流固雙向耦合處理[14]。壓力容器中的流固耦合問題屬于流固單向耦合問題。

矩形儲液箱主要用來運送非腐蝕性液體，是運輸大量液體時一種必不可少的壓力容器。張宏旺等以某矩形儲液箱為研究對象，在箱內充滿水的情況下建立有限元模型，計算該儲液箱在靜載下的應力情況，并通過利用Ansys施加壓力函數的方式對容器施加水的靜壓力。結果表明，在靜水壓下，儲液箱的最大靜應力發生在底部底板與后壁的連接處，這是由該處幾何不連續產生的應力集中現象導致的[15]。王旭飛等利用Ansys有限元分析方法，分別對儲液箱在空箱狀態下和流固耦合作用下的模態進行了分析[16]，得到空箱狀態下和流固耦合作用下的前5階固有頻率，如圖2所示。可以看出，流體自身的固有頻率較低，空箱狀態下和充液狀態下的模態振型不同，說明箱內充液對箱體結構振動特性影響較大。文獻[17～19]分別對不同類型的壓力容器進行了流固耦合模態分析，得到前幾階固有頻率和壓力容器在流固耦合作用下的理論模態特性。

圖2 充液狀態和空箱狀態下的儲液箱前5階固有頻率

張杰以某大型氧化反應器為研究對象，利用Ansys建立了該氧化反應器的有限元模型(圖3)[20]。與大多數學者不同，張杰在對該反應器進行流固耦合分析時，采用等效密度法模擬了流固耦合的作用。等效密度法也叫附加質量法，在儲液容器的動態力學分析中，在考慮液體動壓力對結構的影響時應用較為普遍。具體操作方法是：將流體對固體的作用以附加質量形式附加到固體上，即將液體質量均布作用在筒壁上，這樣便使流固耦合問題轉化為固體動態學問題，減小了流固耦合系統問題的分析難度[21,22]。根據該反應器的實際受載情況，選取了4種不同的工況分別進行分析，結果表明氧化反應器應力強度的最大值主要由內壓引起。

圖3 氧化反應器的有限元模型

Karray S等以一臺配備了拉什頓渦輪機的攪拌容器為研究對象，采用分區耦合法，分別利用計算流體動力學軟件和計算結構動力學軟件對攪拌容器進行了流固耦合分析[23]。將流體分析得到的流體壓力施加到容器的攪拌葉片上，得到容器的變形量；將結構和理論計算結果進行對比，證實了理論計算的有效性。

3 壓力容器的熱流固耦合分析

熱流固耦合是指在由流體、固體和溫度場組成的系統中三者之間的相互影響或相互作用[24]。熱-流-固耦合問題不是在流固耦合問題上附加一個體現溫度變化的條件，而是將體現流體流動、固體變形和溫度場變化的量(如流體壓力、固相質點位移和絕對溫度)同時視為基本變量，且處于平等地位[25]。

氣瓶外部的高溫環境是引發氣瓶爆炸的主要原因，因此，周國發和李紅英以火災環境下的氣瓶作為研究對象，采用分區耦合方法，將問題分為兩部分：火焰燃燒數值仿真，氣瓶壁與瓶內流體的流固耦合數值仿真[26]。火災環境下氣瓶熱響應的幾何模型如圖4所示。

圖4 火災環境下氣瓶熱響應的幾何模型

首先以燃燒火焰模型提供的熱流密度邊界和氣瓶與瓶內介質流動傳熱模型提供的溫度邊界為邊界條件進行熱分析，得到氣瓶壁的溫度場。然后將Fluent中固體表面溫度場作為邊界條件傳遞到Ansys中進行熱固耦合分析，通過Ansys進行非線性瞬態熱分析以得到氣瓶模型不同時刻的溫度場分布。圖5為第360s時的氣瓶壁溫度云圖。理論上圖5a、b的結果應該吻合，這是因為在熱固耦合分析中，沒有其他能夠影響固體表面溫度分布的邊界條件。而實際得到的結果中二者確實是吻合的。最后，在熱分析的基礎上，將求得的單元節點溫度作為體載荷和內壓共同施加在模型結構上進行靜態應力分析，得到的第360s時的氣瓶應力云圖如圖6所示。

圖5 第360s時的氣瓶壁溫度云圖

圖6 第360s時的氣瓶應力云圖

高金海等基于Ansys/CFX程序平臺，采用基于燃燒模型的熱-流-固耦合有限元方法，對某環形回流燃燒室的整個流場和溫度場進行了數值模擬，得到火焰筒壁溫三維溫度場分布，驗證了熱-流-固耦合壁溫分析方法的可行性[27]。

4 結束語

無論是熱固耦合分析還是流固耦合分析，應力最大處一般容易發生在壓力容器的應力集中處，如開孔接管處、底部及器壁連接處等。解決應力集中問題的主要方法有：添加補強裝置(加強圈)以增強容器的穩定性；壓力容器設計過程中，應盡量避免具有突變結構的部分，以減小應力集中現象的發生；拐角處多設圓角以減少應力集中。目前，已經有大量的相關文獻對壓力容器的多物理場耦合分析進行了研究，較大程度地滿足了壓力容器結構設計的需要，為今后壓力容器的結構設計提供了技術支持。

[1] Hyder M J,Asif M.Optimization of Location and Size of Opening in a Pressure Vessel Cylinder Using ANSYS[J]. Engineering Failure Analysis,2008,15(1/2):1～19.

[2] 桂士弘,喻文廣.基于有限元的二維軸對稱高溫轉子熱固耦合分析[J].上海電氣技術,2014,7(3):18～23.

[3] 張智峰,李向,陳永波.加氫反應器用2.25Cr1Mo0.25V鍛件的研制[J].裝備機械,2014,(1):20～26.

[4] 蔡昌全,郭靖,程軍明,等.加氫反應器筒體熱應力有限元分析[J].化工裝備技術,2011,32(3):18～20.

[5] 張騫,王澤武,胡大鵬,等.多組分材料球形容器熱力耦合應力分析與組分設計[J].壓力容器,2012,29(3):1～5.

[6] 趙婷,張亞新,趙靜,等.耦合作用下的甲烷化反應器的疲勞分析[J].廣東化工,2014,41(11):20～22.

[7] 王彥偉,羅繼偉,葉軍,等.基于有限元的疲勞分析方法及實踐[J].機械設計與制造,2008,(1):22～24.

[8] Torbacki W.Numerical Strength and Fatigue Analysis in Application to Hydraulic Cylinders[J].Journal of Achievements in Materials & Manufacturing Engineering,2007,25(2):65～68.

[9] 吳洪強,孫以澤,孟婥,等.基于ANSYS的纖維改性壓力容器的耦合應力分析和結構優化設計[J].機械設計與制造,2012,(9): 13～15.

[10] GB 150-1998,鋼制壓力容器[S].北京:中國標準出版社,1998.

[11] 王充,馮為健,何文德.多層熱套式壓力容器的熱-應力耦合分析[J].化工機械,2011,38(1):63～65.

[12] 張劍.基于ANSYS的液氮生物容器熱應力分析[J].醫療裝備,2014,27(2):14～16.

[13] Willschütz H G,Altstadt E,Sehgal B R,et al.Coupled Thermal Structural Analysis of LWR Vessel Creep Failure Experiments[J].Nuclear Engineering & Design,2001,208(3):265～282.

[14] 張磊,郎進花,王松嶺.流固耦合問題數值模擬算法研究進展[J].熱力發電,2015,44(1):1～7.

[15] 張宏旺,黃鑫,趙軍,等.矩形儲液箱在流固耦合下的靜強度及模態分析[J].北京化工大學學報(自然科學版),2012,39(1): 93～97.

[16] 王旭飛,劉菊蓉,張東生,等.預應力壓力儲罐的模態有限元分析[J].化工機械,2014,41(4):484～487.

[17] 王華,曹剛.基于ANSYS的含液容器流固耦合模態分析[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2006,8(2):67～69.

[18] 孫利民,張慶華,趙勇.臥式圓形儲油罐液固耦合模態分析[J].鄭州大學學報(工學版),2005,26(2):89～91.

[19] Firouz R D.A Fluid-Structure Interaction Model for Stability Analysis of Shells Conveying Fluid[J].Journal of Fluids & Structures,2010,26(5):747～763.

[20] 張杰.某大型塔器流固耦合的數值仿真[D].北京:北京化工大學,2009.

[21] 李鋒,閆喜,王茜.采用ANSYS計算進水塔地震動水附加質量的方法研究[J].西北水電,2015,(5):39～41.

[22] Rajasankar J,Iyer N R,Rao T V S R A.A New 3-D Finite Element Model to Evaluate Added Mass for Analysis of Fluid-Structure Interaction Problems[J].International Journal for Numerical Methods in Engineering,1993,36(6): 997～1012.

[23] Karray S,Driss Z,Kaffel A,et al.Fluid-Structure Interaction in a Stirred Vessel Equipped with a Rushton Turbine[J].International Journal of Mechanics & Applications,2012,2(6):129～139.

[24] Yamashita Y,Shinozaki M,Ueda Y,et al.Fatigue Crack Growth Life Prediction for Surface Crack Located in Stress Concentration Part Based on the Three-Dimensional Finite Element Method[J].Journal of Engineering for Gas Turbines & Power,2004,126(1):160～166.

[25] 黨旭光,朱慶杰,劉峰,等.熱-流-固耦合建模過程[J].巖土力學,2009,30(z2):229～231.

[26] 周國發,李紅英.基于順序耦合的火災環境下氣瓶熱及力學響應數值模擬[J].壓力容器,2012,29(9):28～32.

[27] 高金海,王建軍,馬艷紅,等.基于熱-流-固耦合方法火焰筒壁溫三維數值模擬[J].北京航空航天大學學報,2011,37(3): 300～304.

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ReviewofMulti-physicsCouplingAnalysisofPressureVesselsBasedonAnsys

ZHOU Mei-jun1,DUAN Yang2,DING Xiao-hong1

TQ051.3

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1000-3932(2017)01-0001-06

周美君(1993-)，碩士研究生，從事機械仿真分析方面的研究，zmj15921677906@163.com。

2016-07-13，

2016-09-01)