ANSYS在压力容器设计中的应用研究

摘 要：主要研究ANSYS在压力容器设计工作中的应用。从对常规压力容器设计内容分析方法的补充和对压力容器中存在的新问题两方面对ANSYS在压力容器设计中的应用进行了研究。ANSYS作为一种优秀的有限元分析程序，最大的优势在于通过建模、网格划分、加载、求解、路径线性化来解决常规设计无法计算的问题或优化压力容器结构，为设计人员提供了另一种解决问题的方法，但是在压力容器设计实际中不能过分依赖，要根据设计工作人员的工作经验来判断ANSYS的分析结果是否偏离实际情况。

关键词：ANSYS；压力容器；热应力；接触应力

中图分类号：TH49 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.090

压力容器在航空航天、机械动力、石油化工等领域有着非常广泛的应用，压力容器的工作环境比较苛刻，对压力容器的设计制造工艺要求更高。近些年来，数值方法，尤其是有限元分析方法在压力容器设计工作中的应用更加广泛，其中，大型有限元分析程序ANSYS应用于压力容器设计大大降低了设计工作量，同时显著提高了设计的有效性，是一种比较优秀的分析设计方法。

1 ANSYS

ANSYS是一个大型通用有限元分析软件，融合结构、热、流体、电磁场、声场以及耦合场，1970年由John Swanson开发，凭借其强大的前后处理功能得到了科研工作者以及工程师的欢迎，特别是在结构分析方面，囊括了塑形、蠕变、膨胀、大变形、大应变和接触分析等非线性计算技术，在结构分析方面有着明显的优势，是结构分析的首选应用。

ANSYS凭借其优秀的性能和广泛的适应性，成为了第一个通过ISO 9001质量认证的大型分析设计软件，经过了美国机械工程师协会、美国核安全局等近二十种专业技术协会认证，国内通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会认证，在国务院十七个部委中得到了应用，成为了压力容器分析设计的实际标准方法之一。

2 ANSYS在压力容器设计中的应用

2.1 常规压力容器设计内容分析方法补充

2.1.1 不连续区局部应力计算

出于各种实际功能的需要，设计压力容器往往存在不连续结构，不连续结构有几何形状不连续、材料不连续两种形式，在力学上会产生较大的应力集中，所以不连续区局部应力是压力容器结构上的薄弱区域。不连续区域有总体结构不连续和局部结构不连续两种。总体结构不连续是结构较大范围内的应力或者应力变化，对结构应力分布的整体形势和变形都会产生显著的影响，例如封头和壳体的连接，法兰和壳体的连接，不同直径、厚度、材料之间的连接等；局部不连续是小范围内出现的应力或者应变变化，不会明显影响总体应力分布。

不连续区的局部应力要高于总体应力情况，交变载荷作用下不连续区域可能会产生附加弯矩，容易首先出现屈服，造成结构破坏，往往成为了压力容器失效的源头。规则设计的计算不连续区局部应力需要建立该处的力平衡方程和变形协调方程，计算过程比较烦琐，实测的难度也很大。而ANSYS的应用能够在忽略误差的情况下提供精度非常高的结构应力结果，对压力容器设计有着非常重要的辅助作用。

2.1.2 热应力分析

压力容器受压元件在承受工作荷载产生的机械应力的同时，在服役运行过程中，元件温度场也会产生一定的变化，承受机械应力的同时，还要承受热应力。

压力容器服役过程中产生的热应力主要是温度变化产生的热膨胀受到限制而产生的。受压元件热应力按照温度场变化规律可分成两种，分别是稳态热应力和非稳态热应力。热应力在很多领域都广泛存在，例如低温领域的低温气瓶或者低温储槽加注液体时候，大温差在筒壁上产生的瞬时热应力，短时间内加注大量冷液，产生的热应力峰值会更高，低温工作的容器自身的韧性已经很低，产生的热应力可能会造成结构破坏。

计算分析热应力首选需要确定元件温度场的类型。稳态热应力的温度场不随时间发生变化，元件温度场的确定比较容易，能够比较准确地计算出热应力数值，而非稳态情况下的元件内部有着比较复杂的传热机理，受到多种影响因素的作用，通过理论分析的方法确定元件温度场分布情况是比较困难的。传统的计算方法是经过实验实测某些点的温度，并使用近似函数来描述整个温度场。这种方法获得的热应力温度场与实际温度之间存在着较大的偏差。

使用ANSYS程序进行热应力分析是使用耦合场思想解决热应力问题，有直接法和间接法两种。直接法使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时计算热分析和结构应力分析结果；间接法则首选热分析，之后将节点温度作为体载荷施加在结构应力上，获得结构应力分布结果。在高温和低温条件下，对工作的压力容积进行热应力分析是十分必要的，能够有效避免压力容器在热应力影响下失效。

2.1.3 接触应力计算

接触应力主要受接触面状况、材料特性的影响，是高度非线性问题，长期以来都是力学研究中的难点，然而在压力容器领域，接触问题是不可避免的，包括法兰与螺栓的连接、补强圈与筒体之间的连接都是接触连接，卧式低温储罐与槽车中内外筒之间都使用玻璃钢管支撑，储槽和槽车运输运行过程中玻璃钢管和内筒接触等都是接触问题。

规则压力容器设计计算过程中都采用了简化的力学模型与工程经验相结合的方法，对压力容器的安全性产生了一定的影响。ANSYS中有专门解决接触问题的接触单元，包括点-点、点-面、面-面接触三种类型。这三种接触形式几乎能够解决全部压力容器接触问题，能够比较精确地模拟压力容器接触区域的变形情况，准确计算、预测接触区的应力状态。

2.2 压力容器设计新问题的解决

2.2.1 复合材料压力容器应力分析

我国压力容器制造行业飞速发展，新工艺和新材料不断出现，给压力容器的设计制造带来了很多困难。复合材料作为压力容器新材料中非常重要的一种，强度很高，抗疲劳性能优异，在航天系统中应用非常广泛。但是复合材料有着很强的各向异性，力学性能比较复杂，并且在结构成型过程中会发生一定的物理或化学变化。至今为止，即使复合材料在实际制造中已经有了比较多的应用，但是却还没有形成一套完整、实用的计算公式，而使用ANSYS软件能够对新材料的研究与应用起到一定的促进作用，对简化复合材料压力容器的设计分析过程有着重要意义。

2.2.2 动力学分析

室外放置的立式压力容器设备需要进行动力学分析，包括模拟分析、风载荷动力响应分析和地震载荷响应分析等。

结构对动力载荷的响应情况和结构振动特性有关。要想进行分力载荷和地震载荷动力响应分析，需要计算获得结构的自身固有频率。一些结构十分复杂的压力容器计算其固有频率是十分困难的，采用常规解析方法获得的计算结果，其准确性不理想。使用ANSYS建立有限元分析模型进行模态分析则能够获得准确性更高的固有频率。模态分析是一种性能优异的实验和分析工具，能够准确地描述结构的内在动态特性。使用ANSYS能够清晰、全面地了解结构自振特性，对风载荷和地震载荷的分析有着重要的参考价值。

3 结束语

ANSYS有机结合了有限元分析和优化方法，形成了专门的优化模块，将有限元算法的准确性和优化方法的高效性有效发挥出来。在压力容器设计工作中的应用显著地提高了压力容器设计工作的准确性，尤其是对接触问题的处理比传统的简化处理更科学，保证了压力容器的安全性。

参考文献

[1]吉洪波.基于ANSYS的结构优化设计[J].中国水运（学术版），2011，6（8）：135-136.

[2]余联庆，梅顺齐，杜利珍，等.ANSYS在结构优化设计中的应用[J].中国水运，2011，5（3）：76-77.

[3]陈建良，童水光.复合材料在压力容器中的应用[J].压力容器，2011，18（6）：47-50.

〔编辑：王霞〕

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