基于ANSYS的筒體接管疲勞分析

謝業東，農 琪

（廣西工業職業技術學院， 南寧 530001）

0 引言

疲勞破壞是指結構在低于靜態極限強度載荷的重復作用下出現斷裂破壞的現象，影響疲勞強度的主要因素有[1]：

1）載荷的循環次數；

2）每個循環的應力幅值；

3）每個循環的平均應力；

4）存在局部應力集中現象。

壓力容器在交變載荷作用下會發生疲勞破壞，而疲勞破壞又特別容易發生在塑性變形比較大的高應變區，如筒體接管的根部，并且破壞的循環周次比較低，因此壓力容器的疲勞破壞屬于低周疲勞破壞。本文利用ANSYS程序對典型壓力容器結構的筒體接管結構進行疲勞分析。

1 疲勞分析設計

設計條件：設計溫度為常溫，內壓波動0～2.5MPa，載荷每小時波動2次，年平均工作8000小時，設計服役10年，則設計循環次數為8000×2×10=1.6×105，水壓試驗次數5次。

表1 設計參數表

1.1 接管筒體結構及幾何尺寸

接管采用平底直插連接，接管的內表面根部和焊縫外側均采用圓角過渡，參數如表1所示。

1.2 筒體材料及其參數

筒體和接管材料均為16MnR，彈性模量和泊松比均取E=2×105MPa，u=0.3 。

1.3 有限元分析模型

根據筒體接管的結構特性和承載特性，取1/4筒體接管構建有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元建模

圖2 網格劃分

1.4 筒體接管的應力強度分析

1.4.1 載荷、邊界條件及有限元應力分析

1）有限單元選擇 采用ANSYS軟件中的20結點三維實體單元（Solid45）, 劃分網格得有限元模型如圖2所示。

2）位移邊界條件 在圖2所示坐標系中，筒體接管處橫向對稱面各結點位移：δx=0。筒體接管處縱向對稱面各結點位移：δz=0。筒體接管處橫截面各結點位移：δy=0。

3） 施加載荷 最高工作壓力Pil=2.5MPa。接管上端面處軸向拉應力，接管直徑比k=dn0/dni。殼體左端面平衡面載荷殼體直徑比k=Dc0/Dci。

4）有限元應力分析結果

接管筒體結構在最高工作應力下的應力云圖如圖3所示

圖3 最高工作壓力下的應力云圖

由應力云圖得知最大應力強度發生在接管根部內側的圓角過渡處，節點號為3257，節點應力強度分布如下：

1.4.2 應力強度評定

在結構不連續區域（筒體接管根部的內側圓角過渡）定義路徑，選取最大應力強度節點 和它對應的焊縫外表面節點 定義路徑A_A，其應力線性化結果如下：

根據JB4732-1995[2]表6-2，常溫下的設計應力強度Sm=187MPa。

對于路徑A_A應力評定如下：

結構滿足靜強度要求。

2 疲勞分析

設置一個位置、兩個事件及兩個載荷的疲勞分析，根據JB4732-1995[2][2]表C-1輸入 疲勞曲線數據，如表2所示。

表2 疲勞曲線參數

存儲兩個事件的兩個載荷，設定兩個事件的循壞次數，即可進行疲勞計算，疲勞分析輸出允許的疲勞循環次數和疲勞使用系數見ANSYS分析結果如下：

由分析結果可知，筒體接管的累計使用系數為 ，結構不能滿足疲勞強度要求。

3 結論

1）在交變載荷的作用下，筒體接管的最大交變應力幅值發生在筒體接管根部的內表面圓角過渡處，在進行疲勞分析時，應重點分析該處的疲勞強度。

2）在壓力容器的不連續區，一般也是疲勞破壞的高發區。在進行設計時，不連續區的內外側應設置圓角過渡，圓角半徑也要適當，以改善這些部位承受交變載荷的能力，避免疲勞破壞的發生。

3）采用ANSYS軟件進行疲勞分析設計，可以避免復雜的人工計算，獲得比較準確疲勞分析結果，為壓力容器的設計和使用提供科學的理論依據。

[1] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工裝備中的應用(第二版).北京:中國水利水電出版社,2007.

[2] 全國壓力容器標準化技術委員會.JB4732—1995鋼制壓力容器——分析設計標準.北京:中國標準出版社,1995.