ANSYS極限載荷分析法在壓力容器設計中的應用

田志軍

（江蘇中建設計研究院有限公司，寧夏 銀川 750000）

隨著社會的進步與科技的發展，當前在壓力容器分析設計中的彈性分析應用力分類法已經相法普及。但是在具體的實踐過程當中，彈性分析應用力分類法并不能夠準有效地將一次與二次應力強度進行分辨，若只控制一次應用力的話顯得過于保守，但是以二次應力控制卻又顯得冒進，如果采用一次結構法又需要大量的時間與設備及成本投入，且操作難度大，因此必須探索出一套高效快捷的辦法。

1 彈性應力分析法

壓力容器應力分析設計規范GFD-V3與SB9527-2013（2015年確認）把應力分為了以下幾個類別：（1）一次總體薄膜應力Pm；（2）一次局部薄膜應力為 Pl；（3）變曲應力為Pb；（4）二次應力為Q及（5）峰值應力F。再按照不同的安全限值來對應力進行評定。可是如果使用有限元方法分析計算那么就不能給出完整的結果，只能夠得出總應力結果，那么要怎么樣才能夠把總應力細分為以上五個類別就成為現階段亟待解決的問題。

對于上文中出現的問題，國內學術界也給出了一針對性的應對方案，比如說常見的一次結構法：這種方式的核心就是機械載荷所產生的二次應力和總體結構不連續性關系密切，而不連續位置要通過變形的方式來維持因累也產生二次應力，如果解除限制那么二次應力就會消失，那么整體結構也不會出現連貫性；若解除限制之后的結構仍然能夠承載那么就可以將其歸類到二次應力之中。新結構里面如果出現高應力那么就可以重復上述流程，并持續到新結構能夠滿足一次應力強度為止，而這就是一次結構法的核心，這些解除限制之后的結構被統一稱之為“一次結構”。

2 極限載荷分析法

ASDF-2—4214當中對應力分類法和極限分析法進行了完整、詳盡的說明，并運用應力分類法來對總體薄膜力、局部薄膜應力以及一次彎曲應力進行確定，從而有效發避免發生止塑性垮塌，而這種方式也只是一種近似解。

極限載荷分析和總體塑性變形具有密切關系，因此被廣泛地用于任何規定的順序之中并能夠接受單一或者多種一靜載荷。根限載荷分析對于結構極限有一個明確的下限值并作為數值模型解：（1）材料模型：運用規定屈服強度的全塑性（屈服強度為1.6Sm確定塑性的極限），并von mises函數與關聯流動的法則；（2）應變與位移關系：小位移理論的應變與位移關系；（3）必須要沒有出現變形結構的前提下滿足平衡關系。

3 極限載荷分析法的ANSYS實現

以某壓縮機儲罐為例，該空氣儲罐的設計壓力為1.5MPa，設計溫度為80.C，介質為壓縮空氣，封頭有105mm接管開孔，而且受到壓載荷的封頭組件為軸對移結構并將其設為軸對稱結構，同時還要把二維軸對稱模型進行相應的優化與調整，接管位置施加壓力載荷，在簡體模型下側施加油向位移。文中運用了兩種方式對結構極限載荷進行求解，并從其中選出最具性價比的方式：

3.1 第一種方法

為了能夠確保數值解的穩定性與可靠性，就必須要對網格劃分的要求進行提高。分析材料設計CDSS（雙彘性各向同性強化材料選項）以von mises準則。而且在求解過程中如果載荷上升到極限時ANSY會進行錯誤提示，幫助用戶對極限載荷進行判斷。

3.2 第二種方法

載荷如果出現小增量擴大到極限載荷時那么結構也會產生相應的變化，如果使用常規求解那么有限元解會出現發散。ANSYS給出針對求解不穩定問題的技術，弧長就是一種較為常見的技術，通過這種方式能夠有效地幫服整體差異性問題，而且還能夠對負載荷位移斜率曲線進行模擬。但是在運用弧長法的過程中，必須要保障載荷上的解收斂或ARCTRM命令設定的標準進，弧長求解法則會自動停止如果是可變結構就必須要ARCTRM設置來停止求解條件。

4 結語

極限載荷分析法對彈性分析應力分類結構評定法的補充與完善，并有效地提高了應力分類結構評定法的效率與質量，必然會在未來的壓力容器設計工作當中被普及與推廣。