基于Ansys軟件對壓力容器的應(yīng)力及疲勞分析

趙敬群，李首霖

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110869）

基于Ansys軟件對壓力容器的應(yīng)力及疲勞分析

趙敬群，李首霖

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽110869）

在往復(fù)壓縮機(jī)配套的壓力容器中，有很大一部分容器具有工作壓力高，同時承受氣體脈動載荷的特點(diǎn)。通過選取出口緩沖器，對于主要開孔區(qū)進(jìn)行了應(yīng)力分析、評定和疲勞分析，為實(shí)際工程應(yīng)用中壓力容器的設(shè)計，提供了部分可靠、有效的理論依據(jù)。

壓力容器；疲勞分析；應(yīng)力評定；應(yīng)力分析；ANSYS軟件

1　引言

壓力容器是涉及多行業(yè)、多科學(xué)的綜合性、通用性產(chǎn)品，在壓力容器常規(guī)設(shè)計中，以GB150《壓力容器》作為核心的基本標(biāo)準(zhǔn)。新版標(biāo)準(zhǔn)GB150《壓力容器》-2011的發(fā)布，基于風(fēng)險的設(shè)計理念首次被引入，進(jìn)行風(fēng)險評估的要求和實(shí)施細(xì)則在容器設(shè)計階段，也在標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)了。部分緩沖器在使用過程中承受高溫、高壓，同時受氣體脈動載荷的影響，為保障緩沖器在工程應(yīng)用中的安全，有必要對應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置進(jìn)行應(yīng)力分析、評定，并作相應(yīng)的疲勞分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其高的可靠性和高的安全性的目的。

2　結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文模擬的是某往復(fù)壓縮機(jī)的排氣緩沖器，設(shè)計壓力P=20.1 MPa，設(shè)計溫度T=150℃，腐蝕裕量為3 mm，材料負(fù)偏差δ不大于0.3，不足筒體壁厚6%，可以不必考慮；筒體材料選取碳鋼：Q345R，接管材料：鍛件16 Mn；筒體內(nèi)徑Φ= 700 mm；壁厚t=55 mm；彈性模量E=194×103MPa；泊松比μ=0.3。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1

3　應(yīng)力分析

根據(jù)緩沖罐的結(jié)構(gòu)，支撐部分采用可調(diào)節(jié)的楔形支座，不屬于剛性支撐，所以只針對筒體、封頭及開孔區(qū)域建模。分別建立2個模型，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，筒體開孔部分選取1/4接管及1/2筒體及封頭建立模型；基于軸對稱特性，建立封頭開孔部分的平面模型。

選用Solid45模塊，對筒體開孔部分建模，對于筒體、封頭及接管的截面施加對稱面位移約束，20.1 MPa的內(nèi)壓載荷施加于筒體及接管的內(nèi)表面，同時軸向位移約束被施加在接管端面，網(wǎng)格的具體劃分及載荷施加，如下圖2所示。運(yùn)行分析后，得應(yīng)力云圖如下圖3所示。

圖2

圖3

封頭開孔部分，選用Solid82號單元建模，K3值選取軸對稱形式，封頭底端截面線上施加軸向位移約束，施加20.1 MPa的內(nèi)壓載荷于封頭及接管的內(nèi)邊線上，同時施加軸向平衡載荷pc于接管端面，按如下公式計算

pc=pDi2/（Do2-Di2）

式中Di——接管內(nèi)徑

Do——接管外徑

網(wǎng)格的具體劃分以及施加的載荷，如圖4所示。運(yùn)行分析后得應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖4

圖5

4　強(qiáng)度評定

4.1應(yīng)力分類

對于應(yīng)力的分類可依據(jù)其出現(xiàn)的源由進(jìn)一步對結(jié)構(gòu)失效的影響進(jìn)行歸類。其中，在容器結(jié)構(gòu)中面積大，沒有自身限制特性，用于平衡其外部機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力，被稱為一次應(yīng)力。在容器結(jié)構(gòu)中面積小，集中于總體結(jié)構(gòu)間斷處，擁有自限性，用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的相互協(xié)調(diào)，附加在一次應(yīng)力之上，為一自平衡力系的則稱為二次應(yīng)力。在容器結(jié)構(gòu)中面積僅次于二次應(yīng)力，也擁有自限特性，對棘輪效應(yīng)和塑性疲勞沒有作用，由局部結(jié)構(gòu)間斷引起的應(yīng)力，作用于一次和二次應(yīng)力之上，稱為峰值應(yīng)力。

4.2評定準(zhǔn)則

基于失效行為，可以將其分為：一次、二次、峰值應(yīng)力。

（1）一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：pm≤KSm

（2）一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度：pL≤1.5 KSm

（3）一次彎曲應(yīng)力與一次薄膜強(qiáng)度之和：pL+ pb≤1.5 KSm

（4）一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度：pL+pb+Q≤3 Sm

（5）總（峰值）應(yīng)力強(qiáng)度：pL+pb+Q+F（交變幅）≤2 Sa

（6）總應(yīng)力強(qiáng)度：S1+S2+S3≤4 Sm

一次應(yīng)力強(qiáng)度的控制，可選取其中評定準(zhǔn)則（1）～（3）式，依據(jù)塑性極限載荷分析可以知道，p≤pS/ns（ns作為極限載荷的安全系數(shù)，一般選取1.5；pS：塑性極限載荷）；其中，通過加、卸載荷的塑性安定性分析可代替和遞增性塑性變形（棘輪效應(yīng)）和控制塑性疲勞的評定準(zhǔn)則（4）式；控制彈塑性疲勞選?。?）式的評定準(zhǔn)則，控制脆斷的則應(yīng)用（6）式的評定準(zhǔn)則。

4.3評定結(jié)果

進(jìn)行應(yīng)力分析后，依據(jù)載荷的性質(zhì)和應(yīng)力分類準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力分類，然后依照設(shè)計準(zhǔn)則對各類應(yīng)力予以評定。分別對圖3和圖5中的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H路徑作線性化處理，應(yīng)力評定結(jié)果如下表1所示。

表1　應(yīng)力評定結(jié)果

5　疲勞分析評定

通過對2個模型在內(nèi)壓力載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，筒體開孔模型具有應(yīng)力強(qiáng)度最大值，參照API618往復(fù)壓縮機(jī)出口壓力波動值≤7%，對該模型的最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)在下列載荷步工況下進(jìn)行疲勞分析。

（1）疲勞計算的事件為1個，每個事件中有2個載荷，同時節(jié)點(diǎn)位置為1個，即最大工作壓力（p=17.976 MPa）和最小工作壓力（p=16.8 MPa）。

（2）采用S-N曲線，即應(yīng)力幅（Smax-Smin）/2與疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，定義材料的疲勞性質(zhì)。材料為16 Mn，屬于低合金鋼，可根據(jù)JB4732-1995確定其疲勞曲線數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　疲勞數(shù)據(jù)（S-N數(shù)據(jù)）

（3）容器使用壽命10年，考慮檢修等因素，選取每年360天；根據(jù)往復(fù)壓縮機(jī)工作原理，電機(jī)選取300 r/min，每轉(zhuǎn)2次壓縮，緩沖器工作循環(huán)次數(shù)：

根據(jù)碳鋼特性，循環(huán)次數(shù)大于106次，材料趨于疲勞強(qiáng)度極限，疲勞曲線呈現(xiàn)水平段，即：可認(rèn)為應(yīng)力幅低于86.2 MPa，材料可無限次循環(huán)，所以計算過程中選取106次進(jìn)行計算。

（4）在疲勞分析計算中，考慮到設(shè)計溫度的影響，按下式對求得的Salt值進(jìn)行修正。

Salt′=Salt×E/E（t）=Salt×2.1e5/1.94e5

其疲勞結(jié)果分析如下：

圖6

累計使用次數(shù)=1，應(yīng)力幅為13.375 MPa＜86.2 MPa，低于疲勞強(qiáng)度極限，即疲勞校核合格。

6　結(jié)語

本文基于對往復(fù)機(jī)配套高壓緩沖器的案例進(jìn)行分析計算，得到了緩沖器的殼體的應(yīng)力云圖分布和形變，對緩沖器各處的應(yīng)力都進(jìn)行了強(qiáng)度評定，同時對于應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)處進(jìn)行了疲勞分析。結(jié)果顯示，緩沖器各處應(yīng)力均滿足應(yīng)力強(qiáng)度前提，（1）基于Ansys有限元軟件，運(yùn)用于殼體的有限元分析，得到各處的應(yīng)力的精確計算，能夠更直觀的反映出應(yīng)力分布情況，進(jìn)而在確保壓力容器的安全性的基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)性因素，可以針對具體部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；同時，為工程設(shè)計過程中，有可能出現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)或是新工藝、新材料等，提供有效方法和理論依據(jù)。

并且疲勞校核合格。通過此次應(yīng)力分析，總結(jié)如下幾條結(jié)論：

（2）對于封頭部分應(yīng)力分析，進(jìn)行了多次建模、網(wǎng)格劃分以及相關(guān)資料的查閱，應(yīng)力分布情況還有待進(jìn)一步研究。

（3）對于往復(fù)壓縮機(jī)相應(yīng)的緩沖器進(jìn)行疲勞分析設(shè)計，在行業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提供具體的理論依據(jù)，證明疲勞強(qiáng)度的可靠性，同時更進(jìn)一步保證了壓力容器在使用過程中的安全性，可靠性。

［1］GB150-2011.壓力容器標(biāo)準(zhǔn)釋義.

［2］余偉煒.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［3］JB4732 1995.鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：新華出版社，2005.

［4］李建國.壓力容器分析設(shè)計的一些問題［J］.壓力容器，2011.

［5］李建國.壓力容器分析設(shè)計的力學(xué)基礎(chǔ)［J］.壓力容器，1985，2（1）：71-77.

［6］李永泰.壓力容器分析設(shè)計需討論的若干問題［J］.壓力容器.

［7］陸明萬，徐鴻.分析設(shè)計中若干重要問題的討論（二）［J］.壓力容器，2006，23（2）：28-32.

［8］趙少汴，藍(lán)伙金.抗疲勞設(shè)計——方法與數(shù)據(jù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

Analysis of Stress and Fatigue of Pressure Vessel Based on Ansys Software

ZHAO Jing-qun，LI Shou-lin
（Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

A great parts of vessels in reciprocating compressor have the characteristics of high pressure as well as enduring gas pulsating load.Taking the outlet buffer tank in this paper，the main opening holes region is carried out stress analysis，assessment and fatigue analysis.The analysis provides partial reliable and effective theoretical basis for the design of pressure vessels in the practical engineering application.

pressure vessel；fatigue analysis；stress assessment；stress analysis；ANSYS software

TH49

B

1006-2971（2015）01-0052-04

趙敬群，女，高級工程師，現(xiàn)在沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司從事壓力容器設(shè)計。

2014-12-26