采用有限元技術分析壓力容器直徑與極限載荷的關系

楊存奎 陳永哲

摘 要：隨著國內壓力容器的使用越來越普遍，安全隱患也日益提高，故對壓力容器器壁應力進行準確分析是非常有必要的，本文主要通過運用ANSYS有限元分析模擬軟件，分析公稱直徑（以內徑為基準）與極限載荷之間存在的關系。隨后發現公稱直徑與極限載荷之間呈現反比的關系，隨著直徑的加大，容器所能承受的極限載荷呈現逐漸減小的趨勢，這對于壓力容器的適用范疇與選取直徑的設計都是非常有幫助的，同時也有助于高壓作用下的容器的安全正常使用。

關鍵詞： 應力分析;ANSYS;有限元;高壓容器

壓力容器在工程上的應用越來越廣泛，高壓容器在現在過程工業中應用十分廣泛而且發展的非常迅速，由于高壓爆破實驗對現代工業的發展、設計、研究和制造都具有非常重要的意義，對高壓容器進行應力分析關乎設備的正常運行。高壓下壓力容器器壁分析可減少甚至杜絕此類危險隱患的發生，因此，高壓爆破實驗具有很重要的研究價值，在高壓下對壓力容器進行應力分析是非常必要的。對于此實驗采用的是ANSYS分析設計的方法，針對壓力容器進行具體的應力分析，針對性的找出壓力容器在高壓條件下，薄弱的承受應力之處，針對性的對壓力容器進行改進。

1 有限元建模

1.1 建模方法

利用有限元軟件創建節點，再將節點連線成面，最后旋轉平面從而獲得壓力容器，從而對不同直徑的高壓容器進行模擬建模分析。

1.2 建模尺寸

該模型的尺寸標準如下：

1. 壓力容器公稱直徑（以內徑為基準）20mm，40mm，50mm，壁厚均為3.5mm，筒體長度均為150mm。

1.3 材料屬性的選擇

壓力容器所選取的材料均為Q235的低合金高強度結構鋼，該材料的彈性模量E=0.206MPa，泊松比是u=0.2，屈服強度為235MPa。將定義的Q235材料應用到所建的模型上，并對模型進行應力應變的分析模擬。

1.4 模型的網格劃分

在Main Menu菜單欄中選擇Preprocrssor（前處理）選項中Meshing中的Mesh（網格）中Volumes Free，進行幾何模型體的網格劃分，再點擊“Pick all”，對模型進行網格劃分。

1.5 載荷的施加

因涉及到的載荷是容器的內壓，在選取加載面時會出現容易選到外壁的現象，故利用隱藏非選取面的方式選取加載面。壓力容器承受的是內部壓力，所以施加Pressure，選取壓力容器內表面作為內壓的作用面。

2 不同直徑容器對分析結果的影響

材料為Q235的鋼材，其屈服強度可以近似為235MPa，其極限載荷的定義為材料在處于極限平衡狀態時所承受的載荷。通過實驗模擬，對直徑為20mm容器施加不同大小的內壓，當內壁的應力接近235MPa時，此時施加的內應力被看作極限載荷，若超過極限載荷會導致容器器壁的變形，經過ANSYS分析結果如圖2.1所示，其極限載荷為160MPa，直徑為40mm容器的極限載荷為80MPa，直徑為50mm容器的極限載荷為60MPa。所以可以得出容器的直徑越大，其極限載荷就會越小。

3 結論

從有限元軟件分析可以看出對高壓下容器的直徑與極限載荷之間的關系：容器的直徑越大，其極限載荷就會越小。

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