基于ANSYS的壓力容器筒體封頭連接強度分析

趙航

（丹東特種設備檢驗所，遼寧 丹東118002）

基于ANSYS的壓力容器筒體封頭連接強度分析

趙航

（丹東特種設備檢驗所，遼寧 丹東118002）

建立壓力容器的三維模型之后，采用ANSYS對壓力容器進行有限元分析，獲得載荷作用下應力的實際分布狀況，最快發現最大應力處，為壓力容器優化設計提供依據。實踐表明，借助計算機輔助分析軟件，能有效的驗證及優化先前的設計，而且可以減少研發過程中可能出現的問題。

ANSYS；強度分析；壓力容器

ANSYS是一套在全世界被廣泛使用的CAE軟件，包含了，是最重要的FEA程序，在設計壓力容器過程時的應力分析中被廣泛應用。ANSYS本身有GUI（graphical user interface）接口可提供用戶使用鼠標來操作，但為了讓使用者操作方便，也設計指令控制接口，利用指令方式操作ANSYS分析，而指令控制對于程控的優化方式是非常方便。ANSYS主要的分析系統包含了三個部分：前置處理、求解處理器、后置處理。壓力容器作為廣泛使用的工業承壓容器設備，通常在高壓下工作，一旦失效，所造成的后果不堪設想。在實踐中，壓力容器承受壓力的情況異常復雜，相應的失效形式是多種多樣的［1］。因此，壓力容器的可靠設計和安全校核是特別重要的。ANSYS有限元軟件可以更容易地獲得壓力容器的應力分布和變形，比較容易找到的產生最大應力的危險部分，提高了設計與校核的可靠性［2］。本文是基于ANSYS軟件對壓力容器的筒體封頭的連接強度分析。

1　問題描述

筒體內徑￠775 mm，厚度100 mm，封頭內徑￠800 mm，厚度48 mm，過渡長度95 mm，設計壓力P=16 MPa，設計溫度T=260℃，材料均采用Q345，屈服強度σS=345 MPa，抗拉強度σ=570 MPa，彈性模量E=20600 MPa，泊松比μ=0.3.本研究首先使用三維繪圖軟件Pro/Engineer建立了壓力容器的分析模型，如圖1所示為壓力容器三維實體簡圖，要求采用ANSYS軟件完成筒體封頭連接強度校核分析。

圖1　壓力容器三維實體圖

2　問題分析

假設忽略掉封頭上的次要結構，筒體長度設置為1200 mm，建立軸對稱模型，筒體截取端部約束軸向位移，對稱面為對稱約束。計算模型采用2D面體模型，選用較細網格劃分，不考慮溫度應力，只取該溫度下的許用應力作為應力強度評定的限制值［3］。

3　數值模擬

輸入幾何模型文件vessel_head.igs，屬性設置為2D分析。進入機械分析程序，設置軸對稱分析選項。采用較細的網格劃分，單元尺寸0.01 m.網格劃分過程與結果如圖2所示。

圖2　網格劃分

如圖3所示，施加邊界條件。筒體截取端部約束軸向Y位移，對稱面為X向約束。

圖3　加位移約束

如圖4所示，施加載荷，筒體內壁承壓16 MPa.

圖4　施加載荷

設置結構變形與應力強度后運行求解選項，求解結束。路徑設置如圖5所示。

圖5　設置路徑

4　查看分析結果

分析結果如圖6所示，最大應力強度為217 MPa.

圖6　分析結果

5　強度評定

取安全系數n=2，則許用應力限制值Sm=172.5 MPa，局部薄膜應力限制值為1.5Sm=258.75 MPa，局部彎曲應力屬于二次應力，薄膜應力與彎曲應力與限制值為3Sm=517.5 MPa，評定結果如表1所示，表中應力的單位為MPa.

表1　強度評定表

6　結束語

隨著計算機的普及與運算能力快速的發展和進步，運用計算機工程輔助分析軟件來解決復雜的工程問題已經是時勢所趨，也是產業升級過程中尋求精密化及自動化的必要方法。使用ANSYS不但可以進行壓力容器應力分布的定性分析，了解壓力容器承受負載之后詳細的應力分布，同時能夠獲得容器壁應力分布詳細數據，并查看特定的應力分布變化。壓力容器的有限元分析充分表明，對于壓力容器應力計算和分析，ANSYS軟件所獲得的結果非常準確，為優化壓力容器設計的結構強度提供了可靠的依據［4］。

［1］王慶五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0機械設計高級應用實例［M］.機械工業出版社，2006：145-155.

［2］高耀東.ANSYS機械工程應用精華30例［M］.電子工業出版社，2010：15-45.

［3］王富恥，張朝輝.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用［M］.電子工業出版社，2006：6-45.

［4］韓偉濤.基于ANSYS的CNG儲運罐靜力分析與優化設計［D］.新疆大學.2006.

Based on ANSYS Analysis of The Pressure Vessel Cylinder Head Connection Strength Christy

ZHAO Hang
（Dandong Special Equipment Inspection，Liaoning Dandong 118002，China）

To build a three-dimensional model of the pressure vessel after using ANSYS finite element analysis of the pressure vessel，condition of load stress distribution，the fastest found at the maximum stress，providing the basis for optimizing the design of pressure vessels.Practice shows that，with the aid of the computer aided analysis software，it can effectively verify and optimize the previous design，and can reduce the problems that may arise in the process of research and development.

ANSYS；strength analysis；pressure vessel

TH114

A

1672-545X（2016）07-0262-03

2016-04-29

趙航（1980-），男，山東文登人，本科，工程師，特種設備檢驗檢測。