基于ANSYS的壓力容器筒體封頭連接強(qiáng)度分析

趙航

（丹東特種設(shè)備檢驗(yàn)所，遼寧 丹東118002）

基于ANSYS的壓力容器筒體封頭連接強(qiáng)度分析

趙航

（丹東特種設(shè)備檢驗(yàn)所，遼寧 丹東118002）

建立壓力容器的三維模型之后，采用ANSYS對(duì)壓力容器進(jìn)行有限元分析，獲得載荷作用下應(yīng)力的實(shí)際分布狀況，最快發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力處，為壓力容器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。實(shí)踐表明，借助計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，能有效的驗(yàn)證及優(yōu)化先前的設(shè)計(jì)，而且可以減少研發(fā)過程中可能出現(xiàn)的問題。

ANSYS；強(qiáng)度分析；壓力容器

ANSYS是一套在全世界被廣泛使用的CAE軟件，包含了，是最重要的FEA程序，在設(shè)計(jì)壓力容器過程時(shí)的應(yīng)力分析中被廣泛應(yīng)用。ANSYS本身有GUI（graphical user interface）接口可提供用戶使用鼠標(biāo)來操作，但為了讓使用者操作方便，也設(shè)計(jì)指令控制接口，利用指令方式操作ANSYS分析，而指令控制對(duì)于程控的優(yōu)化方式是非常方便。ANSYS主要的分析系統(tǒng)包含了三個(gè)部分：前置處理、求解處理器、后置處理。壓力容器作為廣泛使用的工業(yè)承壓容器設(shè)備，通常在高壓下工作，一旦失效，所造成的后果不堪設(shè)想。在實(shí)踐中，壓力容器承受壓力的情況異常復(fù)雜，相應(yīng)的失效形式是多種多樣的［1］。因此，壓力容器的可靠設(shè)計(jì)和安全校核是特別重要的。ANSYS有限元軟件可以更容易地獲得壓力容器的應(yīng)力分布和變形，比較容易找到的產(chǎn)生最大應(yīng)力的危險(xiǎn)部分，提高了設(shè)計(jì)與校核的可靠性［2］。本文是基于ANSYS軟件對(duì)壓力容器的筒體封頭的連接強(qiáng)度分析。

1　問題描述

筒體內(nèi)徑￠775 mm，厚度100 mm，封頭內(nèi)徑￠800 mm，厚度48 mm，過渡長(zhǎng)度95 mm，設(shè)計(jì)壓力P=16 MPa，設(shè)計(jì)溫度T=260℃，材料均采用Q345，屈服強(qiáng)度σS=345 MPa，抗拉強(qiáng)度σ=570 MPa，彈性模量E=20600 MPa，泊松比μ=0.3.本研究首先使用三維繪圖軟件Pro/Engineer建立了壓力容器的分析模型，如圖1所示為壓力容器三維實(shí)體簡(jiǎn)圖，要求采用ANSYS軟件完成筒體封頭連接強(qiáng)度校核分析。

圖1　壓力容器三維實(shí)體圖

2　問題分析

假設(shè)忽略掉封頭上的次要結(jié)構(gòu)，筒體長(zhǎng)度設(shè)置為1200 mm，建立軸對(duì)稱模型，筒體截取端部約束軸向位移，對(duì)稱面為對(duì)稱約束。計(jì)算模型采用2D面體模型，選用較細(xì)網(wǎng)格劃分，不考慮溫度應(yīng)力，只取該溫度下的許用應(yīng)力作為應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定的限制值［3］。

3　數(shù)值模擬

輸入幾何模型文件vessel_head.igs，屬性設(shè)置為2D分析。進(jìn)入機(jī)械分析程序，設(shè)置軸對(duì)稱分析選項(xiàng)。采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分，單元尺寸0.01 m.網(wǎng)格劃分過程與結(jié)果如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格劃分

如圖3所示，施加邊界條件。筒體截取端部約束軸向Y位移，對(duì)稱面為X向約束。

圖3　加位移約束

如圖4所示，施加載荷，筒體內(nèi)壁承壓16 MPa.

圖4　施加載荷

設(shè)置結(jié)構(gòu)變形與應(yīng)力強(qiáng)度后運(yùn)行求解選項(xiàng)，求解結(jié)束。路徑設(shè)置如圖5所示。

圖5　設(shè)置路徑

4　查看分析結(jié)果

分析結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力強(qiáng)度為217 MPa.

圖6　分析結(jié)果

5　強(qiáng)度評(píng)定

取安全系數(shù)n=2，則許用應(yīng)力限制值Sm=172.5 MPa，局部薄膜應(yīng)力限制值為1.5Sm=258.75 MPa，局部彎曲應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力與限制值為3Sm=517.5 MPa，評(píng)定結(jié)果如表1所示，表中應(yīng)力的單位為MPa.

表1　強(qiáng)度評(píng)定表

6　結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)的普及與運(yùn)算能力快速的發(fā)展和進(jìn)步，運(yùn)用計(jì)算機(jī)工程輔助分析軟件來解決復(fù)雜的工程問題已經(jīng)是時(shí)勢(shì)所趨，也是產(chǎn)業(yè)升級(jí)過程中尋求精密化及自動(dòng)化的必要方法。使用ANSYS不但可以進(jìn)行壓力容器應(yīng)力分布的定性分析，了解壓力容器承受負(fù)載之后詳細(xì)的應(yīng)力分布，同時(shí)能夠獲得容器壁應(yīng)力分布詳細(xì)數(shù)據(jù)，并查看特定的應(yīng)力分布變化。壓力容器的有限元分析充分表明，對(duì)于壓力容器應(yīng)力計(jì)算和分析，ANSYS軟件所獲得的結(jié)果非常準(zhǔn)確，為優(yōu)化壓力容器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了可靠的依據(jù)［4］。

［1］王慶五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2006：145-155.

［2］高耀東.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華30例［M］.電子工業(yè)出版社，2010：15-45.

［3］王富恥，張朝輝.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用［M］.電子工業(yè)出版社，2006：6-45.

［4］韓偉濤.基于ANSYS的CNG儲(chǔ)運(yùn)罐靜力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.新疆大學(xué).2006.

Based on ANSYS Analysis of The Pressure Vessel Cylinder Head Connection Strength Christy

ZHAO Hang
（Dandong Special Equipment Inspection，Liaoning Dandong 118002，China）

To build a three-dimensional model of the pressure vessel after using ANSYS finite element analysis of the pressure vessel，condition of load stress distribution，the fastest found at the maximum stress，providing the basis for optimizing the design of pressure vessels.Practice shows that，with the aid of the computer aided analysis software，it can effectively verify and optimize the previous design，and can reduce the problems that may arise in the process of research and development.

ANSYS；strength analysis；pressure vessel

TH114

A

1672-545X（2016）07-0262-03

2016-04-29

趙航（1980-），男，山東文登人，本科，工程師，特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。