ANSYS極限載荷分析法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

田志軍

（江蘇中建設(shè)計研究院有限公司，寧夏 銀川 750000）

隨著社會的進(jìn)步與科技的發(fā)展，當(dāng)前在壓力容器分析設(shè)計中的彈性分析應(yīng)用力分類法已經(jīng)相法普及。但是在具體的實(shí)踐過程當(dāng)中，彈性分析應(yīng)用力分類法并不能夠準(zhǔn)有效地將一次與二次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分辨，若只控制一次應(yīng)用力的話顯得過于保守，但是以二次應(yīng)力控制卻又顯得冒進(jìn)，如果采用一次結(jié)構(gòu)法又需要大量的時間與設(shè)備及成本投入，且操作難度大，因此必須探索出一套高效快捷的辦法。

1 彈性應(yīng)力分析法

壓力容器應(yīng)力分析設(shè)計規(guī)范GFD-V3與SB9527-2013（2015年確認(rèn)）把應(yīng)力分為了以下幾個類別：（1）一次總體薄膜應(yīng)力Pm；（2）一次局部薄膜應(yīng)力為 Pl；（3）變曲應(yīng)力為Pb；（4）二次應(yīng)力為Q及（5）峰值應(yīng)力F。再按照不同的安全限值來對應(yīng)力進(jìn)行評定。可是如果使用有限元方法分析計算那么就不能給出完整的結(jié)果，只能夠得出總應(yīng)力結(jié)果，那么要怎么樣才能夠把總應(yīng)力細(xì)分為以上五個類別就成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。

對于上文中出現(xiàn)的問題，國內(nèi)學(xué)術(shù)界也給出了一針對性的應(yīng)對方案，比如說常見的一次結(jié)構(gòu)法：這種方式的核心就是機(jī)械載荷所產(chǎn)生的二次應(yīng)力和總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性關(guān)系密切，而不連續(xù)位置要通過變形的方式來維持因累也產(chǎn)生二次應(yīng)力，如果解除限制那么二次應(yīng)力就會消失，那么整體結(jié)構(gòu)也不會出現(xiàn)連貫性；若解除限制之后的結(jié)構(gòu)仍然能夠承載那么就可以將其歸類到二次應(yīng)力之中。新結(jié)構(gòu)里面如果出現(xiàn)高應(yīng)力那么就可以重復(fù)上述流程，并持續(xù)到新結(jié)構(gòu)能夠滿足一次應(yīng)力強(qiáng)度為止，而這就是一次結(jié)構(gòu)法的核心，這些解除限制之后的結(jié)構(gòu)被統(tǒng)一稱之為“一次結(jié)構(gòu)”。

2 極限載荷分析法

ASDF-2—4214當(dāng)中對應(yīng)力分類法和極限分析法進(jìn)行了完整、詳盡的說明，并運(yùn)用應(yīng)力分類法來對總體薄膜力、局部薄膜應(yīng)力以及一次彎曲應(yīng)力進(jìn)行確定，從而有效發(fā)避免發(fā)生止塑性垮塌，而這種方式也只是一種近似解。

極限載荷分析和總體塑性變形具有密切關(guān)系，因此被廣泛地用于任何規(guī)定的順序之中并能夠接受單一或者多種一靜載荷。根限載荷分析對于結(jié)構(gòu)極限有一個明確的下限值并作為數(shù)值模型解：（1）材料模型：運(yùn)用規(guī)定屈服強(qiáng)度的全塑性（屈服強(qiáng)度為1.6Sm確定塑性的極限），并von mises函數(shù)與關(guān)聯(lián)流動的法則；（2）應(yīng)變與位移關(guān)系：小位移理論的應(yīng)變與位移關(guān)系；（3）必須要沒有出現(xiàn)變形結(jié)構(gòu)的前提下滿足平衡關(guān)系。

3 極限載荷分析法的ANSYS實(shí)現(xiàn)

以某壓縮機(jī)儲罐為例，該空氣儲罐的設(shè)計壓力為1.5MPa，設(shè)計溫度為80.C，介質(zhì)為壓縮空氣，封頭有105mm接管開孔，而且受到壓載荷的封頭組件為軸對移結(jié)構(gòu)并將其設(shè)為軸對稱結(jié)構(gòu)，同時還要把二維軸對稱模型進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化與調(diào)整，接管位置施加壓力載荷，在簡體模型下側(cè)施加油向位移。文中運(yùn)用了兩種方式對結(jié)構(gòu)極限載荷進(jìn)行求解，并從其中選出最具性價比的方式：

3.1 第一種方法

為了能夠確保數(shù)值解的穩(wěn)定性與可靠性，就必須要對網(wǎng)格劃分的要求進(jìn)行提高。分析材料設(shè)計CDSS（雙彘性各向同性強(qiáng)化材料選項(xiàng)）以von mises準(zhǔn)則。而且在求解過程中如果載荷上升到極限時ANSY會進(jìn)行錯誤提示，幫助用戶對極限載荷進(jìn)行判斷。

3.2 第二種方法

載荷如果出現(xiàn)小增量擴(kuò)大到極限載荷時那么結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，如果使用常規(guī)求解那么有限元解會出現(xiàn)發(fā)散。ANSYS給出針對求解不穩(wěn)定問題的技術(shù)，弧長就是一種較為常見的技術(shù)，通過這種方式能夠有效地幫服整體差異性問題，而且還能夠?qū)ω?fù)載荷位移斜率曲線進(jìn)行模擬。但是在運(yùn)用弧長法的過程中，必須要保障載荷上的解收斂或ARCTRM命令設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)，弧長求解法則會自動停止如果是可變結(jié)構(gòu)就必須要ARCTRM設(shè)置來停止求解條件。

4 結(jié)語

極限載荷分析法對彈性分析應(yīng)力分類結(jié)構(gòu)評定法的補(bǔ)充與完善，并有效地提高了應(yīng)力分類結(jié)構(gòu)評定法的效率與質(zhì)量，必然會在未來的壓力容器設(shè)計工作當(dāng)中被普及與推廣。