ANSYS在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

王強(qiáng)

摘 要：主要研究ANSYS在壓力容器設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用。從對(duì)常規(guī)壓力容器設(shè)計(jì)內(nèi)容分析方法的補(bǔ)充和對(duì)壓力容器中存在的新問(wèn)題兩方面對(duì)ANSYS在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。ANSYS作為一種優(yōu)秀的有限元分析程序，最大的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)建模、網(wǎng)格劃分、加載、求解、路徑線性化來(lái)解決常規(guī)設(shè)計(jì)無(wú)法計(jì)算的問(wèn)題或優(yōu)化壓力容器結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)人員提供了另一種解決問(wèn)題的方法，但是在壓力容器設(shè)計(jì)實(shí)際中不能過(guò)分依賴，要根據(jù)設(shè)計(jì)工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷ANSYS的分析結(jié)果是否偏離實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞：ANSYS；壓力容器；熱應(yīng)力；接觸應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.090

壓力容器在航空航天、機(jī)械動(dòng)力、石油化工等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，壓力容器的工作環(huán)境比較苛刻，對(duì)壓力容器的設(shè)計(jì)制造工藝要求更高。近些年來(lái)，數(shù)值方法，尤其是有限元分析方法在壓力容器設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用更加廣泛，其中，大型有限元分析程序ANSYS應(yīng)用于壓力容器設(shè)計(jì)大大降低了設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)顯著提高了設(shè)計(jì)的有效性，是一種比較優(yōu)秀的分析設(shè)計(jì)方法。

1 ANSYS

ANSYS是一個(gè)大型通用有限元分析軟件，融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)以及耦合場(chǎng)，1970年由John Swanson開(kāi)發(fā)，憑借其強(qiáng)大的前后處理功能得到了科研工作者以及工程師的歡迎，特別是在結(jié)構(gòu)分析方面，囊括了塑形、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變和接觸分析等非線性計(jì)算技術(shù)，在結(jié)構(gòu)分析方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，是結(jié)構(gòu)分析的首選應(yīng)用。

ANSYS憑借其優(yōu)秀的性能和廣泛的適應(yīng)性，成為了第一個(gè)通過(guò)ISO 9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過(guò)了美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)、美國(guó)核安全局等近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證，國(guó)內(nèi)通過(guò)了全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證，在國(guó)務(wù)院十七個(gè)部委中得到了應(yīng)用，成為了壓力容器分析設(shè)計(jì)的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)方法之一。

2 ANSYS在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 常規(guī)壓力容器設(shè)計(jì)內(nèi)容分析方法補(bǔ)充

2.1.1 不連續(xù)區(qū)局部應(yīng)力計(jì)算

出于各種實(shí)際功能的需要，設(shè)計(jì)壓力容器往往存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)，不連續(xù)結(jié)構(gòu)有幾何形狀不連續(xù)、材料不連續(xù)兩種形式，在力學(xué)上會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，所以不連續(xù)區(qū)局部應(yīng)力是壓力容器結(jié)構(gòu)上的薄弱區(qū)域。不連續(xù)區(qū)域有總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)兩種。總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)是結(jié)構(gòu)較大范圍內(nèi)的應(yīng)力或者應(yīng)力變化，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的整體形勢(shì)和變形都會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，例如封頭和殼體的連接，法蘭和殼體的連接，不同直徑、厚度、材料之間的連接等；局部不連續(xù)是小范圍內(nèi)出現(xiàn)的應(yīng)力或者應(yīng)變變化，不會(huì)明顯影響總體應(yīng)力分布。

不連續(xù)區(qū)的局部應(yīng)力要高于總體應(yīng)力情況，交變載荷作用下不連續(xù)區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，容易首先出現(xiàn)屈服，造成結(jié)構(gòu)破壞，往往成為了壓力容器失效的源頭。規(guī)則設(shè)計(jì)的計(jì)算不連續(xù)區(qū)局部應(yīng)力需要建立該處的力平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程，計(jì)算過(guò)程比較煩瑣，實(shí)測(cè)的難度也很大。而ANSYS的應(yīng)用能夠在忽略誤差的情況下提供精度非常高的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果，對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)有著非常重要的輔助作用。

2.1.2 熱應(yīng)力分析

壓力容器受壓元件在承受工作荷載產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力的同時(shí)，在服役運(yùn)行過(guò)程中，元件溫度場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，承受機(jī)械應(yīng)力的同時(shí)，還要承受熱應(yīng)力。

壓力容器服役過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力主要是溫度變化產(chǎn)生的熱膨脹受到限制而產(chǎn)生的。受壓元件熱應(yīng)力按照溫度場(chǎng)變化規(guī)律可分成兩種，分別是穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力和非穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力。熱應(yīng)力在很多領(lǐng)域都廣泛存在，例如低溫領(lǐng)域的低溫氣瓶或者低溫儲(chǔ)槽加注液體時(shí)候，大溫差在筒壁上產(chǎn)生的瞬時(shí)熱應(yīng)力，短時(shí)間內(nèi)加注大量冷液，產(chǎn)生的熱應(yīng)力峰值會(huì)更高，低溫工作的容器自身的韌性已經(jīng)很低，產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞。

計(jì)算分析熱應(yīng)力首選需要確定元件溫度場(chǎng)的類型。穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間發(fā)生變化，元件溫度場(chǎng)的確定比較容易，能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出熱應(yīng)力數(shù)值，而非穩(wěn)態(tài)情況下的元件內(nèi)部有著比較復(fù)雜的傳熱機(jī)理，受到多種影響因素的作用，通過(guò)理論分析的方法確定元件溫度場(chǎng)分布情況是比較困難的。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)某些點(diǎn)的溫度，并使用近似函數(shù)來(lái)描述整個(gè)溫度場(chǎng)。這種方法獲得的熱應(yīng)力溫度場(chǎng)與實(shí)際溫度之間存在著較大的偏差。

使用ANSYS程序進(jìn)行熱應(yīng)力分析是使用耦合場(chǎng)思想解決熱應(yīng)力問(wèn)題，有直接法和間接法兩種。直接法使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)計(jì)算熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果；間接法則首選熱分析，之后將節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力上，獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布結(jié)果。在高溫和低溫條件下，對(duì)工作的壓力容積進(jìn)行熱應(yīng)力分析是十分必要的，能夠有效避免壓力容器在熱應(yīng)力影響下失效。

2.1.3 接觸應(yīng)力計(jì)算

接觸應(yīng)力主要受接觸面狀況、材料特性的影響，是高度非線性問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)都是力學(xué)研究中的難點(diǎn)，然而在壓力容器領(lǐng)域，接觸問(wèn)題是不可避免的，包括法蘭與螺栓的連接、補(bǔ)強(qiáng)圈與筒體之間的連接都是接觸連接，臥式低溫儲(chǔ)罐與槽車中內(nèi)外筒之間都使用玻璃鋼管支撐，儲(chǔ)槽和槽車運(yùn)輸運(yùn)行過(guò)程中玻璃鋼管和內(nèi)筒接觸等都是接觸問(wèn)題。

規(guī)則壓力容器設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中都采用了簡(jiǎn)化的力學(xué)模型與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)壓力容器的安全性產(chǎn)生了一定的影響。ANSYS中有專門解決接觸問(wèn)題的接觸單元，包括點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面、面-面接觸三種類型。這三種接觸形式幾乎能夠解決全部壓力容器接觸問(wèn)題，能夠比較精確地模擬壓力容器接觸區(qū)域的變形情況，準(zhǔn)確計(jì)算、預(yù)測(cè)接觸區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)。

2.2 壓力容器設(shè)計(jì)新問(wèn)題的解決

2.2.1 復(fù)合材料壓力容器應(yīng)力分析

我國(guó)壓力容器制造行業(yè)飛速發(fā)展，新工藝和新材料不斷出現(xiàn)，給壓力容器的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了很多困難。復(fù)合材料作為壓力容器新材料中非常重要的一種，強(qiáng)度很高，抗疲勞性能優(yōu)異，在航天系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。但是復(fù)合材料有著很強(qiáng)的各向異性，力學(xué)性能比較復(fù)雜，并且在結(jié)構(gòu)成型過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的物理或化學(xué)變化。至今為止，即使復(fù)合材料在實(shí)際制造中已經(jīng)有了比較多的應(yīng)用，但是卻還沒(méi)有形成一套完整、實(shí)用的計(jì)算公式，而使用ANSYS軟件能夠?qū)π虏牧系难芯颗c應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用，對(duì)簡(jiǎn)化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)分析過(guò)程有著重要意義。

2.2.2 動(dòng)力學(xué)分析

室外放置的立式壓力容器設(shè)備需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，包括模擬分析、風(fēng)載荷動(dòng)力響應(yīng)分析和地震載荷響應(yīng)分析等。

結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力載荷的響應(yīng)情況和結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性有關(guān)。要想進(jìn)行分力載荷和地震載荷動(dòng)力響應(yīng)分析，需要計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)的自身固有頻率。一些結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的壓力容器計(jì)算其固有頻率是十分困難的，采用常規(guī)解析方法獲得的計(jì)算結(jié)果，其準(zhǔn)確性不理想。使用ANSYS建立有限元分析模型進(jìn)行模態(tài)分析則能夠獲得準(zhǔn)確性更高的固有頻率。模態(tài)分析是一種性能優(yōu)異的實(shí)驗(yàn)和分析工具，能夠準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)的內(nèi)在動(dòng)態(tài)特性。使用ANSYS能夠清晰、全面地了解結(jié)構(gòu)自振特性，對(duì)風(fēng)載荷和地震載荷的分析有著重要的參考價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

ANSYS有機(jī)結(jié)合了有限元分析和優(yōu)化方法，形成了專門的優(yōu)化模塊，將有限元算法的準(zhǔn)確性和優(yōu)化方法的高效性有效發(fā)揮出來(lái)。在壓力容器設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用顯著地提高了壓力容器設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)接觸問(wèn)題的處理比傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化處理更科學(xué)，保證了壓力容器的安全性。

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〔編輯：王霞〕