ANSYS在压力容器设计中的应用｜就上UG网

ANSYS 在压力容器设计中的应用  夏忠定 ( 大庆油田工程有限公司 )
ANSYS 是集结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件 , 是第一个通过ISO9001 质量认证的大型分析设计软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证 , 并在国务院十七个部委得到推广使用。因而ANSYS 在压力容器行业占据了国内 95 % 以上的市场份额 , 成为压力容器分析设计的标准。

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1.1 压力容器不连续区应力分析
压力容器的不连续区往往是压力容器的高应力区 , 由于不连续区的几何形状较为复杂 , 很难用常规的设计方法进行精确求解。压力容器的结构不连续区通常分为两大类 : 总体结构不连续区与局部结构不连续区。所谓总体结构不连续是指对结构相当大的部分产生影响的应力或者应变源以及容器的几何形状、材料或载荷的不连续。由于总体结构不连续会引起附加边缘应力 ,从而对结构造成很大的影响。

所谓局部结构不连续是指对结构相对较小的范围内产生影响的应力或应变源 , 这种不连续存在于容器的小范围内 , 虽然对容器的总体部分不会产生太大的影响 , 但所产生的局部应力也不能忽视。在压力容器分析设计中存在三种典型的不连续结构有限元应力分析 : 高压容器筒体与封头的连接区应力分析和容器开孔接管区的应力分析、支座支撑区的应力分析。

2.1 压力容器的稳定性分析
压力容器由于机械或热载荷作用往往在整体或局部区域产生应力 , 当应力过大时则会引起结构整体或局部失稳。所谓压力容器的失稳是指当容器所承受的载荷超过某一临界值时突然失去原来的几何形状的现象。研究压力容器的稳定性的目的在于确定容器的临界载荷及其相应的失稳模态 , 以改进加强措施 , 提高结构的抗失稳能力。

下列情况通常需要考虑容器的稳定性分析 : 外压容器、带整体或者局部夹套的容器、容器的支座体及支座支撑区、内压薄壁椭圆封头或碟形封头的过渡区、膨胀节、温差较大时换热器的筒体及管束、塔设备的塔体及裙座的背风侧、大型储罐的罐顶等。进行稳定性分析即屈曲分析 , 通常首先进行特征值屈曲分析 , 然后参考其分析结构进行非线性分析并最终确定结构的临界载荷。

ANSYS 提供了两种分析结构屈服载荷和屈服模态的技术 : 非线性屈服分析和特征值屈服分析。非线性屈服分析比特征值屈服分析更加精确。特征值屈服分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈服状态 , 其结构比较保守 , 所以在实际工程中应用比较少。

3.1 压力容器的接触分析
ANSYS 软件提供了强大的接触处理功能 , 支持多种接触方式 : 面 - 面接触、点 - 面接触和点 -点接触。在压力容器中 , 大多数物体之间的相互作用是通过接触来实现的 , 例如法兰与螺栓的连接、补强圈与筒体之间的连接等。通过 ANSYS 提供的接触分析功能模块就可以对这些物体之间的应力进行分析。法兰接头作为压力容器中的一种可拆性连接结构 , 在化工设备中得到了广泛的应用。
在对法兰进行接触分析时 , 应该考虑到法兰接头中存在材料和结构等多种非线性、把接头当作一个系统来分析以及接头的强度和紧密性必须统一分析的情况。在应用薄壳理论对压力容器开孔补强结构进行设计时 , 将其分为接管、补强圈和壳体三部分 , 在它们的连接处建立变形协调及力的平衡方程 , 求解其连接处的位移及应力。但在这样的求解过程中 , 认为补强圈与筒体间没有相对的位移和转角 , 也未考虑相互间的接触作用 , 这与实际状况并不相符。所以必须应用 ANSYS 软件中接触分析功能 , 对补强圈与容器壳体间的接触特性进行模拟。

4.1 压力容器的动力学分析
对于户外放置的直立式压力容器设备 , 应该对其进行动力学分析 , 动力学分析包括模态分析、风载荷动力响应分析和地震载荷动力响应分析。结构的振动特性决定了结构对各种动力载荷的响应情况 , 因此要进行分力载荷和地震载荷动力响应分析 , 必须计算结构的固有频率。当结构比较复杂时 , 常规使用的解析法就无法准确地求出其固有频率 , 此时就要建立有限元模型进行模态分析 , 求出其固有频率。

模态分析是一种强有力的实验及分析性工具 , 可用来确定结构内在的动态特性。通过模态频率、模态阻尼以及模型等模态参数和动态特性得以确定。模态分析提取存在于任意结构中的动态特性。这些动态特性是否影响结构的总体振动特性取决于输入激励。如果输入激励的频率正好与结构的某个固有频率一致 , 那么就会出现共振现象 ,从而增强振动响应。通过模态分析 , 求出结构相应的固有频率和振动形式 , 从而全面地了解结构在操作过程中的自振特性 , 并将各阶段的基本频率用于风载荷和地震载荷的动态分析。
( 栏目主持 　张秀丽 ）
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