針對帶局部夾套臥式容器的應力及可靠性分析

時 黛

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針對帶局部夾套臥式容器的應力及可靠性分析

時 黛

（內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 028000）

局部夾套；應力分析；可靠性分析；可靠度

壓力容器是指工業生產中完成反應、傳質、傳熱、分離和儲存等生產工藝功能并承受一定壓力的設備。壓力容器廣泛應用在石油化學工業、能源工業、科研和軍工等國民經濟的各個部門。在壓力容器的使用過程中，由于介質、密封及承壓等原因，經常會存在表面裂紋，這些裂紋在疲勞載荷的作用下會繼續擴展，最后可能造成壓力容器的爆裂而引起事故而危及人員、設備和財產的安全及污染環境的事故。隨著機械及化工行業的發展，許多設備需要承受交變載荷，考慮到外載荷、幾何形狀、尺寸、材料性能等方面存在著一定的隨機性和模糊性，以及在認識上的不完善、不準確等原因，導致設備疲勞損傷和耐久性問題的不確定性，從而影響結構的可靠度[1]。為了提高設備的可靠性，研究其失效的原因、掌握設備的失效規律是很重要的，本文在應力分析的基礎上對某帶局部夾套的臥式容器進行可靠性分析計算。

1 應力分析

在臥式容器中，常常會采用局部夾套對容器內的介質進行加熱或冷卻，但在使用過程中，夾套與筒體連接焊縫處容易開裂或筒體局部失穩發生，因此有必要從強度方面利對這類容器進行應力分析。

1.1 問題描述

1.2 問題分析

本模型根據結構的對稱性選取容器的1/4采用自底向上的實體建模方法，進行分析計算。由于夾套與筒體連接部位是問題的關鍵，所以對除此之外的部件做如下簡化：封頭簡化為一小段較厚的圓筒，取當量圓筒的厚度為30 mm，長度為100 mm；其次，鞍座在很大程度上增加了夾套的剛度，尤其在夾套附近，為此假定夾套在鞍座墊板部位剛性固定。

在實際生產運行中，臥式容器除受到介質的靜壓力載荷外，介質重量也會對其產生影響，但此處只分析由介質壓力造成的應力，所以只要在與筒體、夾套介質接觸的面上加相應的面力即可，而內外壁同時接觸兩種介質的部位，其面力大小可取為介質的壓差[3]。由于封頭以較厚圓筒代替，為了使壓力作用下產生的最大應力強度更加接近實際，因此在筒體端部各節點施加當量集中力C來模擬封頭的端部效應，該集中力的大小可按如下公式計算：

有限元分析的目的是了解模型對外部施加載荷的響應。正確地識別和定義載荷，并有效地實現仿真加載，是運用有限元分析工具的關鍵一步。利用ANSYS后處理功能[4]，求解得該模型的應力強度結果，如圖2所示，圖中應力大小分別采用不同顏色表示，其中紅色表示應力值最大，藍色表示應力值最小，從應力云圖上可以看出最大應力發生在夾套堵板與筒體連接位置靠上的部分，最大應力強度值為184.757 MPa。

圖2 應力強度分布云圖

Fig.2 Distribution of stress intensity

2 可靠性分析

2.1 基本方法

在可靠性分析的方法中，蒙特卡羅法的拉丁超立方法應用較多，其效率較直接法高（與直接法相比，避免了重復抽樣），本文中就采用了蒙特卡羅法中的拉丁超立方法對該結構進行了可靠性分析，經過以上的應力分析，指定概率分析文件后定義隨機變量，進行可靠性分析。

則結構的累積失效概率為：

其中：（）—隨機矢量的聯合概率密度函數。

2.2 隨機變量參數計算

依此處理方法，計算得出結構尺寸和載荷分布參數的計算結果見表1，有了工作壓力和屈服強度的分布參數，就可以開始對它們抽樣。

表1 隨機變量參數及分布

2.3 可靠性分析結果

圖3 Z在置信度為95%的情形下的分布圖

獲得了該帶有局部夾套臥式容器在置信度為95%的情形下，<0的概率平均值為3.264 8% ，即說明容器的可靠度為96.735 2%；同時繪制隨機輸出。

結果參數的靈敏度圖如圖4所示，從圖中可以清楚地看到隨機輸入參數對輸出結果參數的影響程度，影響最大的參數是筒體的壓力，其次是屈服極限均值，其余各參數影響較小，可以認為是常數值，因此在容器設計或制造過程中，要特別注意材料的選擇。通過以上分析可知該生產車間的帶有局部夾套臥式容器是可以正常投入使用，其安全性是有保障的。

圖4 輸出結果參數的靈敏度圖

3 結論

本文通過對典型結構帶局部夾套的臥式圓筒形容器的算例分析計算，得到了該壓力容器的應力云分布圖，由應力強度條件可知，該帶局部夾套的臥式圓筒形容器最大應力位置處滿足應力強度條件，通過應力分析得出以下結論：

（1）利用軟件ANSYS對帶局部夾套的臥式圓筒形容器進行了有限元建模，通過應力強度分析獲得最大應力的節點位置，得到最大應力發生在筒體最高位置與接管的連接處，即節點為56位置處為疲勞失效的最危險點，其最大應力強度值是184.757 MPa。

（2）在應力分析的基礎上對該帶局部夾套的容器進行了可靠性分析，通過分析獲得了該容器在置信度為95%且初值極限狀態<0的情形下時的概率平均值為3.264 8%，即說明容器的可靠度為96.7352%，因此該帶局部夾套的臥式圓筒形容器是安全可靠的。

（3）得到了影響該容器可靠性的主要參數是設備的操作壓力和設備材料的屈服強度，所以在條件允許的情況下，應該盡量選用屈服極限較高的材料。

4 結束語

利用ANSYS對復雜結構進行可靠性分析是可行的，其方法簡單、避免了大量試驗、節約了資源，是有限元理論和可靠性分析理論的有機結合，為復雜結構的可靠性分析提供了新的方法。它可以客觀反映設備的可靠性水平，并為設備的可靠性水平提高提供科學的依據，因此有限元分析方法必將給化工裝備結構設計帶來新的發展，計算機輔助分析將是化工裝備設計的未來發展方向。

我們相信，隨著計算機技術和有限元技術的不斷發展，我國鋼制壓力容器的分析設計的應用將會更加普及和廣泛，以滿足石油與石油化學工業、核能工業、冶金工業、機械工業等行業的迅速發展對壓力容器大型化、復雜化、高參數的需求。而利用有限元軟件對其進行相應的分析以確保容器能安全的運行也會起著越來越重要的作用！

［1］武拴男,楊兆建. 機械可靠性設計有關問題探討與應用研究[J].機械工程與自動化,2009,25(5):101-102.

［2］余偉煒,高炳軍. ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2006.

［3］林國慶,王茂廷. 基于ANSYS中Monte-Carlo 法對帶局部夾套臥式容器的可靠性分析[J]. 輕工機械,2012,30(1):99-~102.

［4］秦宇. ANSYS 11.0基礎與實例教程[M]. 北京：化學工業出版社,2009.

［5］林有志,劉凌霜,宋愛斌等. 機械可靠性設計的研究現狀與進展[J].科學之友,2009,17(6):3-4.

［6］劉惟信. 機械可靠性設計[M].北京：清華大學出版社,1996.

［7］李兆鋒, 江楠.基于有限元法對帶接管壓力容器的可靠性分析[J].石油化工設備技術,2011,40(1):21-25.

［8］林國慶,王茂廷,林猛.汽車發動機連桿在拉壓工況下的可靠性分析[J].遼寧石油化工大學學報，2011,31(3):50-53.

Stress and Reliability Analysis of Horizontal Container With Local Jacket

（College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University for the Nationalities, Inner Mongolia Tongliao 028000，China）

Local jacket; Stress analysis; Reliability analysis; Reliability

TQ 051

A

1671-0460（2014）06-1015-03

2014-03-28

時黛（1986-），女，遼寧撫順人，助教，碩士，2012年畢業于遼寧石油化工大學化工過程機械專業，研究方向：設備安全。E-mail：10dai@163.com。