序言

壓力容器管板是壓力容器重要部件，根據(jù)管板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它直接影響著管箱的承壓能力。它的變形情況及應(yīng)力分析對(duì)整個(gè)箱管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析起著決定性的作用。然而J摺傭解析法對(duì)壓力容器管板所受的應(yīng)力和應(yīng)變情況分析，解析誤差太大。采用ANSYS有限元分析軟件建立壓力容器管板的有限元模型，加載求解進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析對(duì)算出壓力容器管板的最大應(yīng)力泣變，利用ANSYS的有限元分析和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)功能顯示三維應(yīng)力等值面應(yīng)移等值面，從而為壓力容器管板機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析提供了充分的理論依據(jù)。

1 基本分過程

1.1創(chuàng)建有限元模型

本文選用一種U型管式的壓力容器來建模，管板材料選用20MuMo鍛件。球形封頭材料16MnR，材料的彈性模量E=20E+05MPa.泊松比為03，密度為7.8t/m3，設(shè)計(jì)壓力P=31.4MPa，許用應(yīng)力為196MPa。

在壓力容器的應(yīng)力的分析中，壓力容器部件設(shè)計(jì)關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核線代替校核面。另外由于壓力容器是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以可選其一半結(jié)構(gòu)來建模。為了節(jié)省時(shí)間和存儲(chǔ)空間，而又不影響分析結(jié)果，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，略去一些細(xì)節(jié)。其中管孔對(duì)于管板強(qiáng)度的削弱，可以采用有效彈性模量E1和有效泊松比V1的概念將管板折算為同厚度的當(dāng)量無孔圓平板，因此管板區(qū)域分為兩大部分，1區(qū)按等效圓板來處理，而2區(qū)按實(shí)際悄況處理。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得到E1=054F,V1=0360綜上所述，所得簡(jiǎn)化后有限元分析模型如圖1所示:
 

圖1 有限元分析模型

1.2網(wǎng)格劃分

通常ANSYS的網(wǎng)格劃分有兩種方法，即自由劃分和映射劃分。自由劃分網(wǎng)格主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域，分析稍度不夠高，但要求劃分的區(qū)域滿足一定的拓補(bǔ)條件。奕淞」分網(wǎng)格主要適合與敖鋇臼形體，分析精度高。鑒于壓力容器管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文同時(shí)采用了這兩種方法。在非邊界區(qū)域采用醉編寸網(wǎng)格劃分，在邊界區(qū)域及梢度要求不是很高的區(qū)域采用自由網(wǎng)格劃分。四邊形網(wǎng)格單元采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID82.三邊形網(wǎng)格單元采用6節(jié)點(diǎn)的SOLID Triangle 6node2。SOLID82有相容的位移形枕適用于曲線邊界的建模。它們每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度:沿結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)X.Y.Z方向的平動(dòng)SOLID82有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和力立變的功能。在管板與封頭聯(lián)接出是立力比較集中，此處采用三邊形網(wǎng)格加密。共有1265個(gè)單元，3994個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3約束條件和施加載荷

邊界條件施加與工程實(shí)際是否吻合直接影響到分衫潞果的正確性、合理性。由于壓力容器的應(yīng)力分析是以線代替面，而且是取一半進(jìn)行分析，所以在端面處施加X方向約束和管孔處施加Y方向約束。整個(gè)管程承受壓力，所以在線上施加面載荷P=31.4MP，如圖2所示:

                    
1.4 計(jì)算結(jié)果及分析

在這一步,ANSYS將對(duì)自動(dòng)劃分的每一單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行討算，建立的方程很多，需要一定的時(shí)間，所得的結(jié)果很大。在結(jié)構(gòu)分析完蒯舌，可進(jìn)人通用后處理器和時(shí)間歷程后處理器中瀏覽分析結(jié)果。圖3和圖4分別為壓力容器管板的應(yīng)力分布和位移分布圖。#p#分頁標(biāo)題#e#

由節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分布圖顯示最大變形出現(xiàn)在球形封頭的最頂端，其值達(dá)到0.547~0.549。

次大值出現(xiàn)在管板的左端面處，也達(dá)到0.5mm左右。這與實(shí)際變形情況是相吻合的。事實(shí)上這也體現(xiàn)出管板的左端面的變形情斷夕寸整個(gè)箱管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析起央起的作用，管板的厚度及管板的外半徑參數(shù)的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著很重要的意義。由節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在管板與球形封頭聯(lián)接處.其等效應(yīng)力最大值為144.16MPa,其他部位受力情況較均勻，這與實(shí)際情況是相吻合的。綜合上述分析，有限元模型的建立、分析結(jié)果是客觀的，較為真實(shí)地反映了壓力容器管板的受力情況。

2 小結(jié)

本文的意義在于:

2.1 用有限元分析法變連續(xù)結(jié)構(gòu)為離散結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的理論分析。通過ANSYS軟件可以比較情確地反映各點(diǎn)的受力情況，為壓力容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)不創(chuàng)是供充分的理論數(shù)據(jù)。

2.2 雖然在面載荷的作用下產(chǎn)生的等效應(yīng)力小于其材料的許用應(yīng)力值（196MPa）,但管板與封頭聯(lián)接出應(yīng)力集中，是個(gè)危險(xiǎn)部位，封頭變形和管板左端面變形較大，故其有強(qiáng)度和剛度都不卜分充足的缺陷，有必要對(duì)壓力容器管板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以減輕重量、改善性能、節(jié)約成本。

2.3 動(dòng)態(tài)演示出壓力容器管板變形的過程，并可借助于后處理器繪出相應(yīng)的變化曲線，使設(shè)針者清楚地掌握其變不扮規(guī)律和變化特征。