基于 ANSYS 的壓力容器可靠性分析

張養(yǎng)治，馬文江

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

基于 ANSYS 的壓力容器可靠性分析

張養(yǎng)治，馬文江

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

ANSYS 是一種大型通用的有限元分析軟件，在眾多的領(lǐng)域中都可以進(jìn)行很好的應(yīng)用。本文主要就大型通用的有限元分析軟件ANSYS 在壓力容器可靠性分析中機(jī)械的可靠性理論、模型的建立、加載及求解三個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行論述。

ANSYS；壓力容器；可靠性分析；機(jī)械；模型；加載及求解

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì)有著越來(lái)越高的要求。其中可靠性成為了一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性及其設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠度具有直接的決定性影響。因此，對(duì)于機(jī)械可靠性的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，有利于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作符合設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。比如對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的材料性能、零部件的尺寸、載荷等進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可以對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的這些隨機(jī)的變量進(jìn)行合理的控制和分析，得到較為合理的設(shè)計(jì)變量范圍。因此，本文主要就 ANSYS 在壓力容器可靠性分析中其機(jī)械的可靠性理論、模型的建立、加載及求解問(wèn)題進(jìn)行分析和研究，以便于我們進(jìn)行壓力容器的安全性設(shè)計(jì)與分析工作，全面提高壓力容器的質(zhì)量與安全，有利于其在眾多的領(lǐng)域中進(jìn)行廣泛性的應(yīng)用，為這些行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

1 機(jī)械的可靠性理論

一般情況下，可靠性的研究對(duì)象有電子與電氣的可靠性、機(jī)械的可靠性、零件與系統(tǒng)的可靠性、軟件與硬件的可靠性等等。而廣義上的可靠性也指某一對(duì)象的有效性與維修性。而可靠性往往在很大程度上與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有極大的關(guān)系。而可靠性的設(shè)計(jì)在眾多的領(lǐng)域中都進(jìn)行了應(yīng)用。比如：汽車、飛機(jī)、機(jī)械產(chǎn)品的重要零部件等等都可以應(yīng)用可靠性的設(shè)計(jì)來(lái)完成。ANSYS 是一種大型通用的有限元分析軟件，它可以通過(guò)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的融合性應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。

ANSYS 是集流體分析、融結(jié)構(gòu)分析、磁場(chǎng)分析、電場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析為一體的有限元分析軟件，具有技術(shù)先進(jìn)、方便快捷的特點(diǎn)。因此它在眾多的領(lǐng)域中都可以進(jìn)行應(yīng)用。因此，ANSYS 已成為現(xiàn)在國(guó)際上最為流行的有限元分析軟件，已經(jīng)被眾多的院校在進(jìn)行可靠性分析教學(xué)中進(jìn)行使用。而壓力容器具有非常多的類型。比如按照產(chǎn)品的品種進(jìn)行劃分，其主要有反應(yīng)類型的壓力容器、換熱類型的壓力容器、分離類型的壓力容器、存儲(chǔ)類型的壓力容器等。壓力容器因?yàn)榫哂袑?duì)安全性要求高的特點(diǎn)，因此對(duì)其可靠性進(jìn)行科學(xué)、仔細(xì)的研究與分析就具有了非常重要的意義。而將 ANSYS 有限元軟件與壓力容器的可靠性分析進(jìn)行結(jié)合，可以應(yīng)用 ANSYS 有限元軟件的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于壓力容器的可靠性進(jìn)行更加直觀性、科學(xué)性的分析，有利于我們對(duì)壓力容器的一些相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性的分析與求解，最終驗(yàn)證壓力容器的可靠性。其中，基于 ANSYS在壓力容器可靠性設(shè)計(jì)，與一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有非常大的不同，其主要有以下三個(gè)特點(diǎn)。

第一，基于 ANSYS 的壓力容器其安全系數(shù)的取值不僅僅與可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)力、強(qiáng)度均值有關(guān)，還與曲線的離散程度有關(guān)。而一般的機(jī)械性產(chǎn)品只需對(duì)可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)力值、強(qiáng)度數(shù)值隨曲線的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析。從這一點(diǎn)來(lái)看，可靠性壓力容器設(shè)計(jì)中安全系數(shù)可以通過(guò) ANSYS 有限元軟件中的函數(shù)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行直觀化的展現(xiàn)，可以更為真實(shí)地反映出壓力容器的最真實(shí)狀態(tài)。

第二，壓力容器可靠性設(shè)計(jì)中對(duì)于強(qiáng)度的考慮隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減弱，導(dǎo)致可靠性的表達(dá)具有時(shí)間的限制。因此我們完全可以依據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)壓力容器的使用壽命。具體來(lái)講，壓力容器在經(jīng)過(guò)了多少小時(shí)后，其失效的概率是多少。

第三，壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)與其周圍的環(huán)境條件具有非常大的關(guān)系。比如環(huán)境介質(zhì)、溫度的變化、沖擊振動(dòng)等因素都對(duì)于壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)起著非常重要的影響。其中對(duì)于分析壓力容器的可靠性，往往可以通過(guò)對(duì)其應(yīng)力值與強(qiáng)度值之間的關(guān)系進(jìn)行分析與實(shí)現(xiàn)。比如：其強(qiáng)度值大于應(yīng)力值，表示該壓力容器具有可靠性的特點(diǎn)，它是在進(jìn)行正常的工作。

而強(qiáng)度值與應(yīng)力值都是連續(xù)變化的變量，我們可以通過(guò)有關(guān)的分析將其繪制在同一坐標(biāo)中進(jìn)行分析。而它們主要呈現(xiàn)出三種情況。第一，強(qiáng)度值與應(yīng)力值概率密度函數(shù)曲線不重疊、所有的強(qiáng)度值都大于最大的應(yīng)力值。第二，強(qiáng)度值概率在坐標(biāo)軸中左移、強(qiáng)度值與應(yīng)力值概率曲線有一部分發(fā)生了重疊，導(dǎo)致一部分的強(qiáng)度值小于應(yīng)力值中的較高取值。第三，強(qiáng)度值概率在坐標(biāo)軸中與以往比較繼續(xù)左移，使得強(qiáng)度值與應(yīng)力值的坐標(biāo)曲線完全不重疊，導(dǎo)致所有的應(yīng)力分布值都大于最大的強(qiáng)度值。對(duì)于以上的理論進(jìn)行仔細(xì)的研究，有利于我們依據(jù)這些理論建立起有效基于 ANSYS的壓力容器可靠性分析的模型，并且對(duì)于模型中的數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行驗(yàn)證和求解。

2 模型的建立

ANSYS 作為一種大型通用的有限元分析軟件需要與現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行融合性的應(yīng)用。因此，我們對(duì)于基于 ANSYS 的壓力容器可靠性進(jìn)行分析，就可以采用構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)模型的方式來(lái)進(jìn)行。比如：我們構(gòu)建出一個(gè)帶接管的內(nèi)壓容器對(duì)其進(jìn)行有效的分析，如圖1。

圖1 帶接管的內(nèi)壓容器

這個(gè)帶接管的內(nèi)壓容器主要的參數(shù)有接管尺寸508mm×10mm,容器尺寸2200mm×18mm,補(bǔ)強(qiáng)圈尺寸 1000mm×18mm,彈性模量 2.1×105MPa，受均布內(nèi)壓 1.0MPa，容器半徑服從正態(tài)分布 5.5mm，其應(yīng)力值服從 1.83mm，容器壁厚服從正態(tài)分布18mm，其應(yīng)力值服從 0.36mm，接管半徑服從正態(tài)分布 254mm，其應(yīng)力值服從 0.42mm，接管壁厚服從正態(tài)分布 10mm，其應(yīng)力值服從 0.2mm，揚(yáng)氏彈性模量服從正態(tài)分布 young，其應(yīng)力值服從young×0.02，均布內(nèi)壓服從正態(tài)分布 pressure，其應(yīng)力值服從 pressure×0.05。因此，我們根據(jù)模型對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，建立具有四分之一的有限元實(shí)體模型的壓力容器，在模型的斷面處對(duì)于對(duì)稱邊界進(jìn)行約束，對(duì)于其連續(xù)對(duì)稱性結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。將壓力載荷施加在容器的內(nèi)表面，對(duì)其實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的劃分。因此，我們通過(guò)對(duì)于帶接管的內(nèi)壓容器在正態(tài)分布情況下的分布進(jìn)行分析，就可以通過(guò)對(duì)此模型的應(yīng)用及可靠性的公式進(jìn)行該壓力容器可靠性系數(shù)的求解，最終建立起壓力容器強(qiáng)度值與應(yīng)力值的概率密度函數(shù)，通過(guò)有關(guān)的運(yùn)算，對(duì)于隨機(jī)的變量進(jìn)行全面的分析與求證。比如通過(guò)對(duì)于聯(lián)結(jié)方程的運(yùn)用，可以使壓力容器的應(yīng)力、強(qiáng)度等的數(shù)字特征以及它們的隨機(jī)變量在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中進(jìn)行集中性的展示，最終得出可靠性的聯(lián)結(jié)系數(shù)。

3 加載及求解

完成以上的模型構(gòu)建之后，我們需要對(duì)于基于ANSYS 的壓力容器模型進(jìn)行加載與求解。

具體來(lái)講，第一，帶接管的壓力容器的最大變形量為 1.432mm，使其最大強(qiáng)度值的可靠度保持在95% 左右。第二，對(duì)于帶接管的壓力容器的最大應(yīng)力值做輸入變量的敏感性分析。第三，如果帶接管的壓力容器的強(qiáng)度值與應(yīng)力值都是常規(guī)的實(shí)數(shù)，我們需要對(duì)于其強(qiáng)度值及應(yīng)力值的常規(guī)實(shí)數(shù)進(jìn)行求解，即應(yīng)用 ANSYS 中的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進(jìn)行分析，計(jì)算其在固定不變下載荷作用結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，使該帶接管的壓力容器最大變形量的數(shù)值為 1.644mm。通過(guò)以上的步驟后，我們就會(huì)得出帶接管的壓力容器真實(shí)的強(qiáng)度值與應(yīng)力值，再通過(guò)其理論中的強(qiáng)度值始終大于最大的應(yīng)力值，就可以得出該壓力容器具有非常好的穩(wěn)定性，可以進(jìn)行安全的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于基于 ANSYS 有限元分析軟件的壓力容器可靠性問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)、有效的分析與論述，我們可以應(yīng)用彈性力學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等理論建立起的可靠性分析理論，對(duì)于壓力容器可靠性分析與傳統(tǒng)的方式進(jìn)行合理化的比較，可以使分析、計(jì)算的結(jié)果更加的準(zhǔn)確、客觀、全面、科學(xué)，為我們進(jìn)行壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)與分析提供了重要的依據(jù)，保障了設(shè)計(jì)出來(lái)的壓力容器具有安全性的特點(diǎn)。

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