利用ANSYS对压力容器进行破坏变形分析及优化设计

黄倩花 孙宁

【摘 要】从工程实践应用需求出发，利用ANSYS有限元软件对压力容器进行应力变形分析计算研究其变化规律；同时在遵循压力容器设计原则的前提下，建立压力容器的有限元模型进行优化设计分析，以满足强度和刚度的要求下使其质量最小为目标，利用ANSYS的优化功能分析模块对承压和壁厚进行分析，为优化设计提供有价值的理论依据。

【关键词】压力容器 应力分析 优化分析 有限元ANSYS

【Abstract】Taking engineering actual demand into account， ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition， finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis， which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time， optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness， provide theoretical basis with optimization.

【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software

1 引言

随着科技的发展，压力容器在众多工业部门中有着广泛的应用，对压力容器的要求也越来越高。以往的压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法，以弹性失效准则为基础，材料的许用应力采用较大的安全系数来保障。由于设计偏于保守使得设计的容器比较笨重，且成本较高，材料有所浪费。

随着工化设计朝着大型化，复杂化，高参数化方向发展，压力容器部件越来越多的利用有限元压力分析来完成。新的分析设计主要以塑性失效和弹塑性失效准则为基础，比较详细的计算了容器和承压部件的应力，并利用大型有限元软件ANSYS对压力容器的壁厚及承压进行优化设计分析。

2 典型压力容器有限元分析

2.1 基于ANSYS的压力容器有限元分析

在分析过程中压力容器将空间问题平面化，有限元模型选取PLANE42单元。在ANSYS软件中采用直接建模的方法，省略压力容器的其他结构（如群座、螺栓等），并设定轴对称选项，建立1/4轴对称分析模型如图2-2示。端部封头对称面各节点约束水平向位移，筒体下端各节点约束轴向位移，内壁施加均布荷载P=10Mpa.

2.1.1 对有限元模型施加边界条件并求解

有限元分析的目的是了解模型对外部施加荷载的响应。在本例中，模型受到的荷载有内压，外压，重力以及支撑力，考虑到重力，外压和支撑力相对内压的影响而言作用甚小，可以忽略。因此只对内壁施加线荷载P=10Mpa，接下来进入求解处理器进行求解，获得位移云图及应力云图，如图2-1，2-2示。

图 2-1 工作压力为10 Mpa时的位移云图 图 2-2 工作压力为10 Mpa时的应力云图

图中位移及应力大小分别采用不同的颜色表示，其中红色表示位移及应力的最大值，蓝色是最小值。从图中可以看出位移的最大值出现在筒体下端，为1.2mm；应力的最大值出现在筒体与端部过渡的弧形处，最大值为95.7Mpa。

2.1.2 结果分析

图2-1，2-2反映了筒壁受内压作用后结构模型的位移、应力情况，从图中可以看出：（1）由于受内压作用，筒壁向外膨胀，模型为轴对称图形，所受的压力是均布的，膨胀亦是均匀的，与预期相符；（2）筒壁沿轴向应力分布是不均匀的，应力最大出现在筒体与端部进气管的过渡处。这是因为模型进气管处尺寸发生了较大变化，导致应力集中，所以数值模拟结果是合理的；（3）通过对筒壁进行强度校核表明，当材料采用Q235-A时，压力容器的最大应力值远小于其许用应力（235Mpa），表明筒体的承压空间还是有一定的提高潜势的。

2.2 压力容器承压能力的分析

上述结果中表明该压力容器的承压空间还可以提升，故此对该模型分别施加线荷载P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其结果变化。图2-3，2-4是模型的最大位移、最大应力值随压力的变化曲线图。

从图中可以看出：（1）位移和应力均随着压力的增加而变大，变化速率由大变小最后趋于平缓；（2）分析位移及应力的变化曲线表明，自开始加载到施加荷载15Mpa，其变化为线性变化，15Mpa到加载至25Mpa时，变化增长缓慢甚至趋于平缓。这与钢材的力学性能有关：钢材从加载到拉断，有四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。从加载到某一定值时曲线呈直线变化是因为钢材处于弹性阶段，再继续加载曲线出现平缓是因为钢材进入屈服阶段，产生塑性变形。所以也可以证明该有限元分析的可靠性；（3）从图中易找出曲线从直线段过渡到平缓段的临界点，即压力15Mpa，此时该模型的最大位移为2.03mm，最大应力值为168Mpa（小于许用应力235Mpa）。

图2-3 不同承压下最大位移值的变化曲线 图2-4 最大应力随承压的变化曲线

2.3 压力容器厚度的优化设计

为了充分提高压力容器的整体性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“弹塑性失效”准则，以板壳理论，弹性与塑性理论及有限元方法，根据具体工况，对压力容器各部位进行详细的应力计算及分析，在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数，从而降低结构的厚度，使材料得到有效利用。

上述承压15Mpa时该压力容器的最大位移值为2mm，最大应力值168Mpa小于其许用应力235Mpa，故可以考虑变化筒壁厚度，使材料发挥最大强度。所以在临界承压15Mpa的作用下试将原筒壁厚度25mm变为20mm，21mm，22mm，30mm进行试算。下图2-5、2-6为最大位移值、最大应力值随筒壁厚度的变化曲线。

图2-5 最大位移值随筒壁厚度的变化曲线 图2-6 最大应力值随筒壁厚度的变化曲线

由图可以看出：（1）在临界承压15Mpa下，容器的最大位移值、最大应力值均随着筒壁厚度的增加而减小；（2）从最大应力值与筒体壁厚的变化曲线中可以看出，当壁厚为21mm时其最大应力值为231Mpa小于其许用应力。故此可以认为在临界承压下，该压力容器的最优筒体壁厚为21mm，在此条件材料能发挥较高的强度。

3结语

本文采用ANSYSY软件对压力容器的位移、应力进行了较为详细的分析，同时对压力容器在满足给定刚度和强度条件下进行厚度最小的优化设计。研究计算结果可以发现：

（1）压力容器在受内压时，筒体中间位置变形最大，最大应力则发生在端部进气管与筒体的过渡处；

（2）在该给定容器的条件中，可以得到此容器的最大临界承压为15Mpa，此时的刚度、强度及应力均满足要求；

（3）为了最大发挥材料的用途，在满足给定强度和刚度条件下对该容器进行优化设计，可以得到其最优筒壁厚度为21mm。

同时也可以看出ANSYSY软件对分析压力容器的可靠性，有效性。很大程度上减少了设计成本和设计周期，也为更复杂的结构设计提供了新的方法。

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