压力容器分析设计的应用

压力容器分析设计的应用

1有限元分析在国内的发展历史和现状及发展压力容器是广泛使用于化工、石油、机械、原子能、原子能、工具设备等行业的压力设备。食品、饮料和制药等。目前压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的“规则设计”(DesignbyRule)和基于塑性失效准则的“分析设计”(DesignbyAnalysis)。其中分析设计法是工程与力学紧密结合的产物,它不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题,而且代表了近代设计的先进水平。我国分析设计规范是在美国ASME锅炉及受压容器规范第八卷第2分篇的基础上建立起来的,并于1995年在全国开始实施(见文献)。ANSYS公司于1970年由JohnSwanson博士创建,其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡,开发的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,已广泛应用于机械、交通、军工、电子、生物医学、水利、石油化工、能源、航空航天等许多领域(文献)。30年来ANSYS软件不断吸取新的计算方法和计算技术,随着交互方式的加入,简化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能,大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析,减少了应力分析设计时间,缩短了设计周期。本文介绍了如何利用ANSYS软件中的应力线性化原理和热—结构耦合计算,在压力容器应力分析设计中的应用和操作过程,并完成了一个立式贮罐的应力分析设计,可供同行参考。2应力分类方法塑性理论指出,由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是不同的。根据等安全裕度原则,危险性较小的应力可以比危险性较大的应力取更高的许用应力强度值。同时,由板壳理论或弹性力学求解出的应力,根据产生应力的原因和导出应力的方法可分为三类共五种,即一次总体薄膜应力(Pm)、一次局部薄膜应力(PL)、一次弯曲应力(Pb)、二次应力(Q)和峰值应力(F)。对其各自的作用机理和应力强度极限可参考文献。在压力容器的应力分析设计过程中,压力容器部件设计所关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小,可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。而基于弹性力学理论的有限元分析方法,是一种对结构进行离散化后再求解的方法。即它计算出来的是结构离散化后结点的应力值。为了获得所选“校核线”上的应力分布规律及大小,就必须对结点上的应力值进行后处理,即应力分类。目前应力分类的方法有多种,文献对三种应力分类方法的原理进行了比较。根据对所选“校核线”上的应力进行分类,得出各类应力的值,若满足强度要求,则所设计容器是安全的。3应力分析的数学模型ANSYS软件与任何一个有限元软件一样,其分析计算过程包括建立模型、施加载荷、求解计算、数据后处理。限于篇幅,本文仅介绍在应力分析设计中使用较多的线性化原理和热—结构耦合的操作。ANSYS软件求解分析过程的操作可参考ANSYS软件所附带的工作手册。3.1本过程的线性化操作应力线性化分类原理及计算公式可参考文献,下面主要介绍在完成有限元分析计算后,如何使用线性化原理得出所考虑“校核线”上的应力分类值。在ANSYS软件的后处理器(GeneralPostprocessor)中,用户要查看结点或单元的计算结果,有三种方法可以实现。即:(1)用等值线(ContourPlot)的方式(包括彩色云图或等值线);(2)采用向量方式(VectorPlot);(3)采用文本文件的方式(可以显示或保存)。同时,该软件也可以用图示或列表方式来显示用户所定义截面(ANSYS称为路径操作——PathOperation)上结点计算结果的分布。线性化原理的操作主要是应用在用户所定义的截面上。其相应的操作命令流程图如图1所示。路径定义(DefinePath)的菜单如图2所示。用户可以通过单元的结点(ByNodes)、在当前工作平面(OnWorkingPlane)上指定的点和通过点的实际坐标值(ByLocation)等三种方式来定义路径。由于在应力分析设计中,所考虑的校核线一般是在容器壁厚,若结构采用图1操作流程图映射方式(Mapped)划分单元,则离散单元比较规则,采用单元结点方式定义路径既快又简单。若采用自由方式(Free)划分单元,某些地方的单元可能不规则,则必须采用其他两种方式,但所得结果是通过对与定义路径相近的结点或单元计算结果值进行外插值而得到,该结果可能存在一定的偏差。建议在应力分析设计中,要尽力采用映射方式划分结构单元,以保证所得结果的精确度。同时在定义路径时,要给所定义的路径指定一个名称,不同的路径最好采用不同的名称。该路径名在用户退出后处理器后,将会自行取消。在定义路径后,退出路径定义菜单,回到路径操作(PathOperation)菜单下,选择RecallPath项,将出现一个对话框,用户可以在该对话框中指定要对哪个路径进行操作。在确定好路径(或校核线)后,就可以对该路径上结点的计算结果进行线性化处理。在图示方式(LinearizedStrs)中,每次只能显示一个应力分量的线性化结果。通过图示方式,用户可以看到某“校核线”上每个应力分量在线性化后,其应力分类包括薄膜应力(Membrane)、薄膜应力+弯曲应力(Membrane+Bend)和总应力(Total)的大小和分布规律,如图6所示。在列表方式上,用户可以在一个文本编辑窗口看到当前指定路径上的6个应力分量和3个主应力的线性化应力分类结果,并允许用户用文本文件的方式保存。3.2anasasim热应力分析按照文献的建议,在应力计算中,应分别计算由外载荷引起的机械应力和由温差引起的热应力,原因是热应力全部属于自限应力。ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元计算各结点的温度,并导出其它热物理参数(文献),它包括稳态传热和瞬态传热分析。由于大多数压力容器在运行过程中,其温度的变化相对稳定,在计算其热应力时,只要利用稳态热分析即可。其分析步骤包括:(1)前处理,建模;(2)施加载荷,求解计算,并将计算结果写入*.rth文件中;(3)后处理,用彩色云图或等值线显示结构的温度分布。具体细节可参考文献。ANSYS提供三种热应力分析方法即直接法、间接法和在结构应力分析中直接定义结点温度等,由于结点的温度事先不知道,第三种方法不能使用,根据上面的分析,可采用第二种方法即间接法进行热应力计算,即首先进行热分析,然后将求得的结点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。其操作步骤为:(1)完成热分析;(2)重新进入前处理(Preprocessor),转换单元类型(SwitchElementType),设置结构分析中的材料属性;(3)施加结点温度载荷(LoadApply),读入热分析(FromThermalAnalysis)的结果文件(*.rth),并设置参考温度(ReferenceTemp.),完成计算(Solve);(4)后处理(GeneralPostprocessor),显示结点的图3热应力分析流程图应力分布,对校核线上的应力进行线性化处理,得到所要的数据结果。热应力分析的流程图如图3所示。4系统总体结构分析原理的建立图4所示为某企业设计的ue07e700立式贮罐,其中手孔直径88mm,材料为16MnR,设计压力为13.5MPa,工作压力为12.3MPa,弹性模量为201GPa,泊松比为0.3,热膨胀系数为1.0098×10-5℃-1,导热系数为41.53776W/(m·K),壳内温度为50℃,传热膜系数为14.9796W/(m2·K),壳外温度为-1.1℃,传热膜系数为5.8464W/(m2·K),许用应力为161MPa,对该容器进行应力分析设计。由于篇幅有限,本文仅考虑对贮罐上半部即手孔—封头—筒体进行分析设计,根据其结构情况,上端结构的分析模型和在壁厚方向的“校核线”如图5所示。对图5模型共划分了273个8结点等参单元和924个结点。在完成有限元分析计算,所得计算结果满足给定的精度要求后,应用ANSYS的线性化原理,分别在工作压力和设计压力状态下对校核线上的应力进行分类,其分类结果如表1所示。利用线性化原理对A-A校核线在设计载荷作用下,应力分量σx进行应力分类,分类后应力的大小分布规律如图6所示。利用ANSYS的热—结构耦合原理对贮罐进行热应力分析。按照本文3.2的计算步骤完成热分析后,可得到结构离散化后结点的温度等值线分布,如图7所示。其后接着可进行热应力分析。在完成热应力分析后,就可以对校核线上结点的计算结果,利用线性化原理完成其应力分类。表2所示为A-A校核线在工作压力下的应力与热应力的计算结果。对于贮罐侧面节管的评定,可