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基于 ANSYS压力容器视镜大开孔结构的极限载荷分析法

热度0票浏览69次时间：2021年11月25日 10:01

　陈永康1 罗燕 1 刘根战 2 杨清 3 杨侠 1

（1.武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉 430205；2.西安航天发动机有限公司，陕西西安 710061；3.武汉鑫鼎泰技术有限公司，湖北武汉430223）

摘要：以某一型号压力容器视镜大开孔结构为例，利用 ANSYS 软件对结构进行有限元建模。本研究利用极限载荷分析法，对该结构进行塑性垮塌校核，根据 ASME 规范判定该结构安全。本研究将对此类结构的设计和校核有一定的参考作用。

　　关键词：极限载荷分析；塑性垮塌；ANSYS；视镜大开孔中图分类号：TQ053.2 文献标识码：A1.前言压力容器是一种装有气体或液体并承受一定压力的密闭设备[1] 。在化工、石油、医药等行业中，有时需要在压力容器上开设视镜孔，用于观察容器内介质的变化情况[2] 。开孔对壳体的强度有所削弱，应进行开孔补强计算。根据相关设计规范，常用的主要有以下几种方法：一是等面积补强计算法[3，4] ，在壳体上开孔形状为长圆形或者椭圆形时，需要满足孔的长短径之比不大于 2；二是应力分类法[4] ，基于应力分类法的分析设计解决了许多压力容器设计中无法解决的工程问题，但应力分类法也存在许多弊端，结构在多种载荷作用时，即使对应力进行线性化处理也难以将一次应力和二次应力区分开来，使得设计的结构不够理想；三是极限载荷分析法，随着塑性理论和非线性有限元分析方法的发展，ASME[5] 规范引入的极限载荷分析方法有效地解决了应力难以识别的问题。

　　塑性垮塌

　　[6] 是在指压力容器部件在施加一次载荷的情况下的失效形式，本文将使用极限载荷分析法对压力容器视镜大开孔结构进行塑性垮塌校核。

　　2.计算条件

　　某型号压力容器视镜开孔结构的计算压力为 9.0MPa，设计温度为180℃，该结构包含四个氮气接管、四个视镜孔、两个冷却夹套接管、一个安全阀，视镜孔长轴尺寸为 285mm，短轴尺寸为 30mm，该结构属于大开孔结构，因此主要考虑视镜孔对结构强度的影响。该模型的筒体内径为 153mm，壁厚为 46mm，长度为 660mm。其模型见图 1。

　　压力容器视镜开孔结构的材料采用型号 S30408 不锈钢，在设计温度为 180℃时，材料的弹性模量 E 为 184200MPa，许用应力为 96MPa，泊松比 ? 为 0.3。

　　图 1 模型

　　3.极限载荷分析法

　　当采用理想弹塑性体和刚塑性体模型时，所施加的应力到达材料的屈服应力，材料将进入塑性流动状态，此时材料将无法承受更大的载荷且变形会无限增大。极限状态是指物体由弹性状态进入塑性流动时的状态，而极限载荷指达到极限状态时的载荷。极限载荷分析是指绕过物体的弹塑性变形过程直接求解极限状态下的极限载荷。极限载荷分析法能够较真实的反应压力容器在受载下的失效过程，在防止塑性垮塌失效方面有较好的应用。

　　根据 JB/T4732-1995 中 5.4.2.1 条规定，给定载荷应不超过塑性极限载荷的 2/3[4] 。因此在本研究中采用 1.5 倍载荷参与计算，若所研究的结构变形不发生无限制增大，则结构安全，满足强度要求。需要说明的是，本研究材料材料采用双线性等向强化模型，计算采用小变形理论，屈服强度取为 1.5S，切向弹性模量为 0。

　　3.1.网格划分

　　由于该模型结构和所受载荷都具有对称性，为了减少计算量，取全模型的八分之一进行计算。采用 20 节点的 Solid186 单元进行网格划分，共有 43811 个单元和 181717 个节点，有限元模型见图 2。经验证，单元划分足够精确，满足网格无关性要求。

　　图 2 有限元模型

　　3.2.边界条件设定

　　位移边界条件设定：对称面施加对称约束，端面施加法向约束。

　　载荷边界条件设定：筒体及视镜内表面施加压力：

　　，端部施加轴向平衡载荷。

　　端部轴向平衡载荷计算如下：