基于ANSYS的筒體接管疲勞分析

謝業(yè)東，農(nóng) 琪

（廣西工業(yè)職業(yè)技術學院， 南寧 530001）

0 引言

疲勞破壞是指結構在低于靜態(tài)極限強度載荷的重復作用下出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象，影響疲勞強度的主要因素有[1]：

1）載荷的循環(huán)次數(shù)；

2）每個循環(huán)的應力幅值；

3）每個循環(huán)的平均應力；

4）存在局部應力集中現(xiàn)象。

壓力容器在交變載荷作用下會發(fā)生疲勞破壞，而疲勞破壞又特別容易發(fā)生在塑性變形比較大的高應變區(qū)，如筒體接管的根部，并且破壞的循環(huán)周次比較低，因此壓力容器的疲勞破壞屬于低周疲勞破壞。本文利用ANSYS程序對典型壓力容器結構的筒體接管結構進行疲勞分析。

1 疲勞分析設計

設計條件：設計溫度為常溫，內(nèi)壓波動0～2.5MPa，載荷每小時波動2次，年平均工作8000小時，設計服役10年，則設計循環(huán)次數(shù)為8000×2×10=1.6×105，水壓試驗次數(shù)5次。

表1 設計參數(shù)表

1.1 接管筒體結構及幾何尺寸

接管采用平底直插連接，接管的內(nèi)表面根部和焊縫外側均采用圓角過渡，參數(shù)如表1所示。

1.2 筒體材料及其參數(shù)

筒體和接管材料均為16MnR，彈性模量和泊松比均取E=2×105MPa，u=0.3 。

1.3 有限元分析模型

根據(jù)筒體接管的結構特性和承載特性，取1/4筒體接管構建有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元建模

圖2 網(wǎng)格劃分

1.4 筒體接管的應力強度分析

1.4.1 載荷、邊界條件及有限元應力分析

1）有限單元選擇 采用ANSYS軟件中的20結點三維實體單元（Solid45）, 劃分網(wǎng)格得有限元模型如圖2所示。

2）位移邊界條件 在圖2所示坐標系中，筒體接管處橫向對稱面各結點位移：δx=0。筒體接管處縱向對稱面各結點位移：δz=0。筒體接管處橫截面各結點位移：δy=0。

3） 施加載荷 最高工作壓力Pil=2.5MPa。接管上端面處軸向拉應力，接管直徑比k=dn0/dni。殼體左端面平衡面載荷殼體直徑比k=Dc0/Dci。

4）有限元應力分析結果

接管筒體結構在最高工作應力下的應力云圖如圖3所示

圖3 最高工作壓力下的應力云圖

由應力云圖得知最大應力強度發(fā)生在接管根部內(nèi)側的圓角過渡處，節(jié)點號為3257，節(jié)點應力強度分布如下：

1.4.2 應力強度評定

在結構不連續(xù)區(qū)域（筒體接管根部的內(nèi)側圓角過渡）定義路徑，選取最大應力強度節(jié)點 和它對應的焊縫外表面節(jié)點 定義路徑A_A，其應力線性化結果如下：

根據(jù)JB4732-1995[2]表6-2，常溫下的設計應力強度Sm=187MPa。

對于路徑A_A應力評定如下：

結構滿足靜強度要求。

2 疲勞分析

設置一個位置、兩個事件及兩個載荷的疲勞分析，根據(jù)JB4732-1995[2][2]表C-1輸入 疲勞曲線數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 疲勞曲線參數(shù)

存儲兩個事件的兩個載荷，設定兩個事件的循壞次數(shù)，即可進行疲勞計算，疲勞分析輸出允許的疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)見ANSYS分析結果如下：

由分析結果可知，筒體接管的累計使用系數(shù)為 ，結構不能滿足疲勞強度要求。

3 結論

1）在交變載荷的作用下，筒體接管的最大交變應力幅值發(fā)生在筒體接管根部的內(nèi)表面圓角過渡處，在進行疲勞分析時，應重點分析該處的疲勞強度。

2）在壓力容器的不連續(xù)區(qū)，一般也是疲勞破壞的高發(fā)區(qū)。在進行設計時，不連續(xù)區(qū)的內(nèi)外側應設置圓角過渡，圓角半徑也要適當，以改善這些部位承受交變載荷的能力，避免疲勞破壞的發(fā)生。

3）采用ANSYS軟件進行疲勞分析設計，可以避免復雜的人工計算，獲得比較準確疲勞分析結果，為壓力容器的設計和使用提供科學的理論依據(jù)。

[1] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用(第二版).北京:中國水利水電出版社,2007.

[2] 全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732—1995鋼制壓力容器——分析設計標準.北京:中國標準出版社,1995.