ANSYS在壓力容器設計中的應用研究

王強

摘 要：主要研究ANSYS在壓力容器設計工作中的應用。從對常規壓力容器設計內容分析方法的補充和對壓力容器中存在的新問題兩方面對ANSYS在壓力容器設計中的應用進行了研究。ANSYS作為一種優秀的有限元分析程序，最大的優勢在于通過建模、網格劃分、加載、求解、路徑線性化來解決常規設計無法計算的問題或優化壓力容器結構，為設計人員提供了另一種解決問題的方法，但是在壓力容器設計實際中不能過分依賴，要根據設計工作人員的工作經驗來判斷ANSYS的分析結果是否偏離實際情況。

關鍵詞：ANSYS；壓力容器；熱應力；接觸應力

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.090

壓力容器在航空航天、機械動力、石油化工等領域有著非常廣泛的應用，壓力容器的工作環境比較苛刻，對壓力容器的設計制造工藝要求更高。近些年來，數值方法，尤其是有限元分析方法在壓力容器設計工作中的應用更加廣泛，其中，大型有限元分析程序ANSYS應用于壓力容器設計大大降低了設計工作量，同時顯著提高了設計的有效性，是一種比較優秀的分析設計方法。

1 ANSYS

ANSYS是一個大型通用有限元分析軟件，融合結構、熱、流體、電磁場、聲場以及耦合場，1970年由John Swanson開發，憑借其強大的前后處理功能得到了科研工作者以及工程師的歡迎，特別是在結構分析方面，囊括了塑形、蠕變、膨脹、大變形、大應變和接觸分析等非線性計算技術，在結構分析方面有著明顯的優勢，是結構分析的首選應用。

ANSYS憑借其優秀的性能和廣泛的適應性，成為了第一個通過ISO 9001質量認證的大型分析設計軟件，經過了美國機械工程師協會、美國核安全局等近二十種專業技術協會認證，國內通過了全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會認證，在國務院十七個部委中得到了應用，成為了壓力容器分析設計的實際標準方法之一。

2 ANSYS在壓力容器設計中的應用

2.1 常規壓力容器設計內容分析方法補充

2.1.1 不連續區局部應力計算

出于各種實際功能的需要，設計壓力容器往往存在不連續結構，不連續結構有幾何形狀不連續、材料不連續兩種形式，在力學上會產生較大的應力集中，所以不連續區局部應力是壓力容器結構上的薄弱區域。不連續區域有總體結構不連續和局部結構不連續兩種?？傮w結構不連續是結構較大范圍內的應力或者應力變化，對結構應力分布的整體形勢和變形都會產生顯著的影響，例如封頭和殼體的連接，法蘭和殼體的連接，不同直徑、厚度、材料之間的連接等；局部不連續是小范圍內出現的應力或者應變變化，不會明顯影響總體應力分布。

不連續區的局部應力要高于總體應力情況，交變載荷作用下不連續區域可能會產生附加彎矩，容易首先出現屈服，造成結構破壞，往往成為了壓力容器失效的源頭。規則設計的計算不連續區局部應力需要建立該處的力平衡方程和變形協調方程，計算過程比較煩瑣，實測的難度也很大。而ANSYS的應用能夠在忽略誤差的情況下提供精度非常高的結構應力結果，對壓力容器設計有著非常重要的輔助作用。

2.1.2 熱應力分析

壓力容器受壓元件在承受工作荷載產生的機械應力的同時，在服役運行過程中，元件溫度場也會產生一定的變化，承受機械應力的同時，還要承受熱應力。

壓力容器服役過程中產生的熱應力主要是溫度變化產生的熱膨脹受到限制而產生的。受壓元件熱應力按照溫度場變化規律可分成兩種，分別是穩態熱應力和非穩態熱應力。熱應力在很多領域都廣泛存在，例如低溫領域的低溫氣瓶或者低溫儲槽加注液體時候，大溫差在筒壁上產生的瞬時熱應力，短時間內加注大量冷液，產生的熱應力峰值會更高，低溫工作的容器自身的韌性已經很低，產生的熱應力可能會造成結構破壞。

計算分析熱應力首選需要確定元件溫度場的類型。穩態熱應力的溫度場不隨時間發生變化，元件溫度場的確定比較容易，能夠比較準確地計算出熱應力數值，而非穩態情況下的元件內部有著比較復雜的傳熱機理，受到多種影響因素的作用，通過理論分析的方法確定元件溫度場分布情況是比較困難的。傳統的計算方法是經過實驗實測某些點的溫度，并使用近似函數來描述整個溫度場。這種方法獲得的熱應力溫度場與實際溫度之間存在著較大的偏差。

使用ANSYS程序進行熱應力分析是使用耦合場思想解決熱應力問題，有直接法和間接法兩種。直接法使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時計算熱分析和結構應力分析結果；間接法則首選熱分析，之后將節點溫度作為體載荷施加在結構應力上，獲得結構應力分布結果。在高溫和低溫條件下，對工作的壓力容積進行熱應力分析是十分必要的，能夠有效避免壓力容器在熱應力影響下失效。

2.1.3 接觸應力計算

接觸應力主要受接觸面狀況、材料特性的影響，是高度非線性問題，長期以來都是力學研究中的難點，然而在壓力容器領域，接觸問題是不可避免的，包括法蘭與螺栓的連接、補強圈與筒體之間的連接都是接觸連接，臥式低溫儲罐與槽車中內外筒之間都使用玻璃鋼管支撐，儲槽和槽車運輸運行過程中玻璃鋼管和內筒接觸等都是接觸問題。

規則壓力容器設計計算過程中都采用了簡化的力學模型與工程經驗相結合的方法，對壓力容器的安全性產生了一定的影響。ANSYS中有專門解決接觸問題的接觸單元，包括點-點、點-面、面-面接觸三種類型。這三種接觸形式幾乎能夠解決全部壓力容器接觸問題，能夠比較精確地模擬壓力容器接觸區域的變形情況，準確計算、預測接觸區的應力狀態。

2.2 壓力容器設計新問題的解決

2.2.1 復合材料壓力容器應力分析

我國壓力容器制造行業飛速發展，新工藝和新材料不斷出現，給壓力容器的設計制造帶來了很多困難。復合材料作為壓力容器新材料中非常重要的一種，強度很高，抗疲勞性能優異，在航天系統中應用非常廣泛。但是復合材料有著很強的各向異性，力學性能比較復雜，并且在結構成型過程中會發生一定的物理或化學變化。至今為止，即使復合材料在實際制造中已經有了比較多的應用，但是卻還沒有形成一套完整、實用的計算公式，而使用ANSYS軟件能夠對新材料的研究與應用起到一定的促進作用，對簡化復合材料壓力容器的設計分析過程有著重要意義。

2.2.2 動力學分析

室外放置的立式壓力容器設備需要進行動力學分析，包括模擬分析、風載荷動力響應分析和地震載荷響應分析等。

結構對動力載荷的響應情況和結構振動特性有關。要想進行分力載荷和地震載荷動力響應分析，需要計算獲得結構的自身固有頻率。一些結構十分復雜的壓力容器計算其固有頻率是十分困難的，采用常規解析方法獲得的計算結果，其準確性不理想。使用ANSYS建立有限元分析模型進行模態分析則能夠獲得準確性更高的固有頻率。模態分析是一種性能優異的實驗和分析工具，能夠準確地描述結構的內在動態特性。使用ANSYS能夠清晰、全面地了解結構自振特性，對風載荷和地震載荷的分析有著重要的參考價值。

3 結束語

ANSYS有機結合了有限元分析和優化方法，形成了專門的優化模塊，將有限元算法的準確性和優化方法的高效性有效發揮出來。在壓力容器設計工作中的應用顯著地提高了壓力容器設計工作的準確性，尤其是對接觸問題的處理比傳統的簡化處理更科學，保證了壓力容器的安全性。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕