壓力容器強度分析與安全評定

劉瑞瑞，張養治

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

壓力容器強度分析與安全評定

劉瑞瑞，張養治

（新疆維吾爾自治區特種設備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

伴隨著社會經濟快速發展，科學技術水平也在不斷提升，壓力容器在社會的應用越加廣泛。壓力容器在制造及應用過程中，非常容易受到各種因素的影響，進而出現安全隱患，對于壓力容器靜載強度造成影響，出現脆性斷裂的可能性顯著提升。所以，對于壓力容器強度分析與安全評定，對于壓力容器應用具有關鍵性作用。進行壓力容器強度分析時，主要通過ABAQUS限元軟件進行分析研究，同時對壓力容器進行安全評定，保證壓力容器的質量及安全水平。

壓力容器；強度分析；安全評定

我國對于壓力容器進行研究是在20世紀70年代的時候，隨著社會經濟及科學技術水平不斷提升，我國在壓力容器強度分析與安全評定上面已經取得了十分顯著的成果。特別是在近幾年內，壓力容器在發展過程中已經擁有了較為豐富的研究成果與實踐經驗，壓力容器真正快速發展。壓力容器的研究一直處于不斷完善的狀態，壓力容器強度分析與安全評定有關科學技術不斷改進，造成壓力容器在強度分析上面逐漸傾向于高技術與高精準方向發展，壓力容器安全評定安全性及科學性都在顯著提升。

1 壓力容器的強度分析

壓力容器在強度分析過程中，應用最為廣泛的研究方法應該為有限元法，在對于壓力容器強度計算及分析過程中還能夠應用有限元軟件ABAQUS。

1.1 有限元法

1943年有關研究人員正式提出有限元法，有限元法在剛開始產生的時候主要在扭轉問題計算內應用，主要作用就是計算出扭轉問題最佳解，有限元法在經過不同完善及實踐應用之后，逐漸在電子計算機計算內應用，主要是對于電子計算機復雜彈性有關問題進行分析研究。有限元法在實際應用過程中，主要是通過變分原理對于計算數據進行研究，然后將彈性體進行劃分，形成單獨彈性體，在應用有限節點和不同彈性體充分進行連接，構成單元體。在這種構成形式內的單元體內，每一個單元體都能夠體現出整體彈性體在力學上面所發生的改變，使彈性體所具有的特性更加突出。

正是由于有限元法在實際應用過程中所具有的特點，所以能夠在真實結構模型內應用，利用計算近似力學的方式計算出強度參數。有限元法在實際應用過程中能夠對于多個方程式進行分析研究，具體步驟為：首先就將一個整體結構進行劃分分散，讓一個整體結構能夠劃分成為不同單元體；其次就是將每一個單元體內的剛度矩陣進行計算，按照所計算出來的數值與結果所具有的規律，構建總體平衡方程；然后還需要將外界支撐條件因素進行分析研究，結合到總體平衡方程之中，在對于總體平衡方面整體進行研究，計算出整體結構內每一個節點所一定的距離；最后就是按照每一個節點所移動的距離，將每一個單元體內的應力及應力變化進行分析研究。

1.2 ABAQUS有限元軟件

有限元法在實際應用過程中，需要借助計算機才能夠將有限元法所具有的優勢全部發揮出來。所以，在對于有限元法有關軟件或者是程序設計研發過程中，需要根據有限元理論知識，結合有限元單元格式及算法，對于軟件或者是程序進行設計，同時還需要與計算機發展趨勢相結合，這樣才能夠充分發揮出有限元法所具有的優勢。就現階段有限元所設計出來的軟件或者是程序而言，其中應用最為廣泛的就是ABAQUS有限元軟件，該有限元軟件內包含有限元算法內的較多單元格式，同時還能夠按照不同材料，制作針對性的材料模型，網格劃分等功能都能夠自動化完成，在對于壓力容器分析研究中，能夠對于壓力容器整個結構進行全面性了解。ABAQUS有限元軟件在實際應用過程中具有良好的功能，同時還能夠在力學結構系統內進行分析研究，在對于難度較高的非線性問題解決過程中，主要是通過構建模型機型模擬的方式。ABAQUS有限元軟件在對于物體進行力學分析過程中，不僅僅能夠對某一個單獨存在的零件進行分析研究，同時還能夠對于系統性元件進行分析研究，利用自身在分析上面所具有的能力，其模擬能力在實際應用過程中具有良好的穩定性。

1.3 應力評定

設計人員在對于壓力容器設計過程中，為了能夠最大程度提高壓力容器所具有的安全性能及精確性，這樣就需要壓力容器在生產完畢之后，具有較高的安全系數，這樣才能夠保證壓力容器在實際應用過程中所具有的效果。但是這種設計情況其他因素對于壓力容器強度所造成的影響在分析上面就存在較高的難度，例如薄膜應力，同時為了保證壓力容器所具有的屈服數值達到一定標準，在設計過程中產生錯誤觀點，進而造成壓力容器無法在實際應用過程中發揮出自身所具有的功能。對于壓力容器內應力進行有效控制，能夠保證壓力容器整體都能夠承受壓力，并不是壓力容器某一個局部承受壓力，讓壓力容器在實際應用過程中能夠充分發揮出自身所具有的作用。

2 壓力容器的安全評定

壓力容器在進行安全評定過程中，所應用到的基礎理論就是斷裂力學。斷裂力學能夠對于物體在含有裂紋的情況下所具有的強度及裂紋變化規律進行分析研究，進而形成有關安全評定。

2.1 斷裂力學

在1920年科研人員正式提出斷裂力學觀點，斷裂力學在剛開始產生的時候，主要應用到玻璃平版實驗內，伴隨著科研人員對于斷裂科學不斷分析研究，斷裂力學在1948年正式產生。斷裂力學可以劃分為多種類別，現階段應用最為廣泛的應該是線彈性斷裂力學，同時線彈性斷裂力學也是對于壓力容器進行安全評定理論基礎。要是從裂紋形狀特點進行劃分，可以將斷裂分為三種形狀，分別是為穿透裂紋、表面裂紋與深埋裂紋；要是按照作用力類別進行劃分，可以將斷裂分化為三種類別，分別是張開型、撕開型與滑開型。筆者在對于不同種裂紋分析研究之后發現，在研究過程中需要從裂紋尖端作為研究切入點，從應力場與位移場進行全面性分析研究。在分析過程中，需要講裂紋定點作為坐標起始點，按照線彈性理論進行分析研究，探索斷裂在應力與位移上面所發生的改變，

在工程內，出現斷裂最為常見的類別就是表面斷裂，在對于表面斷裂問題解決過程中，正常情況下都通過表面半橢圓裂紋解決措施。在對于壓力容器進行安全鑒定主要從四個方面進行判斷，分別是氣孔、咬邊、未焊透與夾渣，在對于這種問題解決過程中，一般都應用埋藏橢圓裂紋的解決措施。在對于壓力容器進行安全評定中，在整個評定過程中搜需要按照斷裂力學進行評定，這樣才能夠保證壓力容器整體質量符合有關標準。

2.2 結果計算

在對于壓力容器強度因子計算過程中， 正常情況下都是通過應用有限元軟件的方式計算。但是由于壓力容器所出現的裂紋相對而言較小，所以在對于裂紋問題解決過程中，就需要將裂紋問題進行等效轉化，改變為拉應力均勻的裂紋平板有關問題。壓力容器在安全評定過程中，有限元法在應用過程中會構建模型，完成對于應力數值的計算。假設壓力容器內部厚度要是88mm，這樣所構建出來的模型長寬就應該為88mm與44mm，通過應用有限元模型對于強度因子數值進行計算，在這個過程中還需要與原有公式進行分析對比，保證有限元法所構建出來的模型能夠更加科學合理。模型在構建完畢之后，就需要對于網格繼續擰劃分，網格劃分對于計算結果精確性具有直接性影響，所以在劃分過程中必須嚴格遵守有關標準。有關結果在計算完畢之后，需要對于結果進行重新計算預分析，進而保證所計算出來的強度因子數值科學合理。

3 結語

簡而言之，在對于壓力容器強度分析與安全評定過程中，整個過程都需要將兩個力學作為理論基礎，也就是材料力學與斷裂力學，在系統性分析與計算之后得到針對性結果。現階段對于壓力容器強度分析與安全評定雖然已經較為完善，但是還存在一定不足，需要不斷進行完善。

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