基于FEM理論和ANSYS軟件對加強圈對外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響分析

尤少煒，朱春禹，李永劉，王金玲（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧大連 116000）

基于FEM理論和ANSYS軟件對加強圈對外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響分析

尤少煒，朱春禹，李永劉，王金玲
（大連理工大學化工機械與安全學院，遼寧大連 116000）

為增強容器的剛性和穩(wěn)定性而固定于容器的內側或外側的環(huán)狀構件稱為加強圈。在外壓容器設計中，有無加強圈以及加強圈的大小、形狀與圓筒臨界失穩(wěn)壓力有著密切的關系。以有限單元分析法（FEM）為基礎，應用ANSYS軟件對加強圈對外壓圓筒臨界失穩(wěn)壓力的影響進行量化分析。

加強圈；外壓容器；有限單元分析法；ANSYS軟件

1　有限單元分析法（FEM理論）和ANSYS軟件介紹

1.1FEM理論

有限元分析（FEM理論）是利用數學近似的方法來對真實的物理系統(tǒng)進行模擬。在這種方法中一個物體或系統(tǒng)被分解為由多個相互聯(lián)結的、簡單、獨立的點（有限元）組成的幾何模型，就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。

1.2ANSYS軟件介紹

有限元分析軟件ANSYS是工程上常用的大型有限元分析軟件。ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊，可以進行電磁、力學、流體、溫度等多物理場的有限元計算和耦合。

2　外壓容器加強圈的定義和作用

外壓容器失穩(wěn)是化工設計中廣泛研究的問題。提高失穩(wěn)臨界壓力的方法主要有兩個：增加圓筒厚度δ或減小圓筒計算長度L。后者更具經濟性。工程上要減小圓筒計算長度，一般會在圓筒外部或內部設置加強圈。加強圈可以提高容器的承壓能力，同時也可以減小殼體厚度，提升剛性和穩(wěn)定性。

3　加強圈對臨界失穩(wěn)壓力的影響

3.1材料和幾何結構尺寸參數

本實驗采用常見的壓力容器用材Q345R，分別計算討論不同加強圈結構對外壓容器臨界壓力的影響，其實驗參數見表1。

表1　實驗參數

3.2有無加強圈的FEM彈塑性失穩(wěn)分析

本次數值分析實驗參數見表1，考慮有初始許可小缺陷，對筒體的中間加一個加強圈和沒有加強圈分別建立有限元模型進行分析求解，其模型建立和求解過程如下（假設材料為理想彈塑性材料）。

3.2.1有限元模型

本文采用ANSYS12.0有限元結構分析軟件，利用參數化語言APDL，建立參數化模型。

3.2.1.1單元選擇與實常數

對于各向同性低碳鋼材料，不考慮幾何非線性，選用SHELL181單元。該單元是一種4節(jié)點3D殼單元，每個節(jié)點有6個自由度，即沿X，Y，Z方向的移動自由度和轉動自由度。

3.2.1.2邊界條件

簡支短圓筒的邊界條件：一端施加軸向位移約束；兩端均施加環(huán)向位移約束。

3.2.2特征值法

利用ANSYS12.0軟件進行特征值失穩(wěn)分析。

特征值法屈曲分析（線性屈曲）是以小位移、小應變的線彈性理論為基礎，假定屈曲發(fā)生導致結構構形才會轉移到另一平衡位置，其他受載過程不會影響構形，其屈曲載荷由以下線性廣義特征值方程確定。（［K0］+λ［Kσ］）u=0

3.2.3求解過程

利用ANSYS12.0軟件進行特征值失穩(wěn)分析。其步驟為：

①建立幾何模型或有限元模型；

②打開應力效應選項，以獲得失穩(wěn)分析用的應力剛度，進行靜力求解；設定靜態(tài)分析類型。在短圓筒的外表面施加載荷1MPa。

③設置屈曲模態(tài)數目和擴展選項，進行特征值屈曲求解；模態(tài)分析理論選擇組中選擇 Block Lanczos法并提取1階模態(tài)輸出。

④觀察結果，得到各個屈曲模態(tài)的解。

由此完成圓筒彈塑性失穩(wěn)非線性分析，可分別得到有無加強圈的臨界失穩(wěn)壓力，其具體結果為有加強圈的圓筒臨界壓力為3.389MPa，無加強圈則為1.554MPa。這說明在筒體增加加強圈能較好地提高其臨界失穩(wěn)壓力，即提高筒體的穩(wěn)定性。

3.3不同加強圈尺寸對臨界壓力的影響分析

表2　不同h值（b=20mm）的臨界失穩(wěn)壓力

表3　不同b值（h=60mm）的臨界失穩(wěn)壓力

對表2和表3中的數據分析可知：當b為定值時，h值增大，其相應的臨界失穩(wěn)壓力呈減少的趨勢，這與加強圈的理論結論有出入，這可能是因為b值選得不合適或初始缺陷的影響所導致；而當h為定值時，b值增大，其相應的臨界失穩(wěn)壓力呈增大的趨勢，這與加強圈的理論結論是一致的。這表明選擇合理的h值和b值能增大筒體的臨界失穩(wěn)壓力，提高筒體的穩(wěn)定性。

［1］ 張宗堯，趙石軍.基于ANSYS的外壓容器穩(wěn)定性分析［J］.一重技術，2010，（2）：1-2.

［2］ 李志義，喻健良，劉志軍.過程機械［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008：67-73.

The Strengthening of the External Ring Pressure Cylinder Critical Pressure Impact Analysis Based on Fem Theory and Ansys Software

You Shao-wei，Zhu Chun-yu，Li Yong-liu，Wang Jin-ling

In order to enhance the rigidity and stability of the container is fixed to the annular member inside or outside of the container called stiffening ring.External pressure vessel design，with or without stiffening ring and the size of the stiffening ring，the cylindrical shape of the critical buckling pressure is closely related.Finite element analysis（FEM）based on application of ANSYS software to enhance the impact of external pressure cylinder ring critical buckling pressure of quantitative analysis.

stiffening ring；external pressure vessel；finite element analysis；ANSYS software

TQ320.724

A

1003-6490（2016）05-0237-02

2016-04-27

尤少煒（1995—），男，天津人，本科在讀，主要研究方向為過程裝備、化工容器。