采用有限元技術(shù)分析壓力容器直徑與極限載荷的關(guān)系

楊存奎 陳永哲

摘 要：隨著國內(nèi)壓力容器的使用越來越普遍，安全隱患也日益提高，故對(duì)壓力容器器壁應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確分析是非常有必要的，本文主要通過運(yùn)用ANSYS有限元分析模擬軟件，分析公稱直徑（以內(nèi)徑為基準(zhǔn)）與極限載荷之間存在的關(guān)系。隨后發(fā)現(xiàn)公稱直徑與極限載荷之間呈現(xiàn)反比的關(guān)系，隨著直徑的加大，容器所能承受的極限載荷呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，這對(duì)于壓力容器的適用范疇與選取直徑的設(shè)計(jì)都是非常有幫助的，同時(shí)也有助于高壓作用下的容器的安全正常使用。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)力分析;ANSYS;有限元;高壓容器

壓力容器在工程上的應(yīng)用越來越廣泛，高壓容器在現(xiàn)在過程工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛而且發(fā)展的非常迅速，由于高壓爆破實(shí)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展、設(shè)計(jì)、研究和制造都具有非常重要的意義，對(duì)高壓容器進(jìn)行應(yīng)力分析關(guān)乎設(shè)備的正常運(yùn)行。高壓下壓力容器器壁分析可減少甚至杜絕此類危險(xiǎn)隱患的發(fā)生，因此，高壓爆破實(shí)驗(yàn)具有很重要的研究?jī)r(jià)值，在高壓下對(duì)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析是非常必要的。對(duì)于此實(shí)驗(yàn)采用的是ANSYS分析設(shè)計(jì)的方法，針對(duì)壓力容器進(jìn)行具體的應(yīng)力分析，針對(duì)性的找出壓力容器在高壓條件下，薄弱的承受應(yīng)力之處，針對(duì)性的對(duì)壓力容器進(jìn)行改進(jìn)。

1 有限元建模

1.1 建模方法

利用有限元軟件創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)，再將節(jié)點(diǎn)連線成面，最后旋轉(zhuǎn)平面從而獲得壓力容器，從而對(duì)不同直徑的高壓容器進(jìn)行模擬建模分析。

1.2 建模尺寸

該模型的尺寸標(biāo)準(zhǔn)如下：

1. 壓力容器公稱直徑（以內(nèi)徑為基準(zhǔn)）20mm，40mm，50mm，壁厚均為3.5mm，筒體長(zhǎng)度均為150mm。

1.3 材料屬性的選擇

壓力容器所選取的材料均為Q235的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，該材料的彈性模量E=0.206MPa，泊松比是u=0.2，屈服強(qiáng)度為235MPa。將定義的Q235材料應(yīng)用到所建的模型上，并對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的分析模擬。

1.4 模型的網(wǎng)格劃分

在Main Menu菜單欄中選擇Preprocrssor（前處理）選項(xiàng)中Meshing中的Mesh（網(wǎng)格）中Volumes Free，進(jìn)行幾何模型體的網(wǎng)格劃分，再點(diǎn)擊“Pick all”，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.5 載荷的施加

因涉及到的載荷是容器的內(nèi)壓，在選取加載面時(shí)會(huì)出現(xiàn)容易選到外壁的現(xiàn)象，故利用隱藏非選取面的方式選取加載面。壓力容器承受的是內(nèi)部壓力，所以施加Pressure，選取壓力容器內(nèi)表面作為內(nèi)壓的作用面。

2 不同直徑容器對(duì)分析結(jié)果的影響

材料為Q235的鋼材，其屈服強(qiáng)度可以近似為235MPa，其極限載荷的定義為材料在處于極限平衡狀態(tài)時(shí)所承受的載荷。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)直徑為20mm容器施加不同大小的內(nèi)壓，當(dāng)內(nèi)壁的應(yīng)力接近235MPa時(shí)，此時(shí)施加的內(nèi)應(yīng)力被看作極限載荷，若超過極限載荷會(huì)導(dǎo)致容器器壁的變形，經(jīng)過ANSYS分析結(jié)果如圖2.1所示，其極限載荷為160MPa，直徑為40mm容器的極限載荷為80MPa，直徑為50mm容器的極限載荷為60MPa。所以可以得出容器的直徑越大，其極限載荷就會(huì)越小。

3 結(jié)論

從有限元軟件分析可以看出對(duì)高壓下容器的直徑與極限載荷之間的關(guān)系：容器的直徑越大，其極限載荷就會(huì)越小。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?余偉煒，高炳軍.ANSYS在機(jī)械和化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.153—155.

[2] 洪德曉，寧伯民，戴季煌，朱紅松.壓力容器設(shè)計(jì)與實(shí)用數(shù)據(jù)速查.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3] 張應(yīng)遷，張洪才.ANSYS有限元分析從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.278—296.

[4] 張紅松.ANSYS13.0有限元分析從入門到精通.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[5] 蔣春松 ANSYS有限元分析與工程應(yīng)用 電子工業(yè)出版社，2012

[6] 馬曉峰 ABAQUS 6.11中文版有限元分析從入門到精通 北京： 清華大學(xué)出版社，2013

[7] 林玉娟，壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京：中國石化出版社，2016

[8] 黃維平 結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用 中國鐵道出版社， 2017