應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用分析

1、    應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用分析    胡洋 王超悌 尚英軍摘要：應力線性化原理是壓力容器設計過程中需借助的主要原理，是提高容器設計合理性的關鍵。本文簡要介紹了應力線性化原理，強調(diào)了將該原理應用到壓力容器設計中的重要價值?；诖?，對應力線性化模型的建立方法進行了詳細的探討，并以某壓力容器為例，在借助應力線性化原理的基礎上，對其設計方案進行了分析，證實了該原理的應用價值。關鍵詞：應力線性化原理；壓力容器；軸對稱模型前言：壓力容器屬于石油、化工等領域所應用的主要設備，該設備設計過程中，如力學指標存在誤差，極容易對容器使用的安全性造成影響，

2、對容器使用壽命的延長不利。實踐研究顯示，將應力線性化原理應用到壓力容器的設計過程中，有助于提高容器力學參數(shù)的合理性?？梢?，為優(yōu)化容器的設計效果，對該原理的應用方法加以探討較為關鍵。1 應力線性化原理應力線性化，即將有限元分析所得到的應力分布曲線，進行線性化處理，使之“彎曲應力”、“薄膜應力”以及“峰值應力”的變化情況能夠體現(xiàn)在曲線當中的一種力學分析方法1。壓力容器設計過程中，薄膜應力、彎曲應力以及峰值應力，屬于影響容器使用安全性的主要因素。根據(jù)各應力名稱的不同，其影響同樣不同。薄膜應力一般沿壓力容器的截面均勻分布，應力的大小，與截面的厚度有關。彎曲應力一般沿壓力容器的截面線性分布，應力與截面厚

3、度合力矩等效。為提高壓力容器設計的合理性，確保三項力學參數(shù)合理較為重要2。2 應力線性化原理在壓力容器分析設計中的應用2.1 應力線性化模型的建立方法應力模型包括非軸對稱模型與軸對稱模型兩種，兩種模型的建立方法存在一定的差異：2.1.1 非軸對稱模型非軸對稱模型所對應的應力，一般呈非線性的形式分布，應力一般沿壓力容器的截面厚度方向分布。根據(jù)壓力容器靜力等效以及靜彎矩等效的不同，應力的計算模型同樣有所差異。計算時，需將“非線性應力分布值”、“彎曲應力”、“截面厚度”等參數(shù)，納入到模型當中，提高結果的準確度。模型中，線性化應力可采用表示，該指標的數(shù)值，與薄膜應力及彎曲應力有關。如采用1代表薄膜應力

4、，采用2代表彎曲應力，則的計算公式如下：=1-2針對壓力容器建立非軸對稱模型時，將薄膜應力及彎曲應力兩項參數(shù)的數(shù)值代入到上述公式中，即可得到最終的計算結果。2.1.2 軸對稱模型軸對稱模型的建立需參考的指標較多，其中經(jīng)向應力、環(huán)向應力、剪應力等，均屬于需要考慮的重要指標。以經(jīng)向應力為例，如以對稱軸作為中心軸，旋轉(zhuǎn)應力曲線，則可得到對應的經(jīng)向應力公式。公式中，應包括積分點半徑、環(huán)向旋轉(zhuǎn)角、路徑方向與徑向夾角等多個指標。其中，積分點半徑可采用r表示，計算公式如下：r=r0+xcos根據(jù)上述指標，可得到經(jīng)向合力作用面積的計算公式如下：ay=r0t公式中，ay代表經(jīng)向合力作用面積，r代表積分點半徑。將

5、壓力容器設計過程中所涉及的各項指標代入到上述公式中，即可得到有關經(jīng)向應力的軸對稱模型。環(huán)形應力的計算方式，與經(jīng)向應力模型存在一定的差異。壓力容器設計過程中，環(huán)向應力的大小與曲率半徑以及中性面的位置有關。如采用代表路徑任意點上的環(huán)向彎曲應力，則該指標的模型可采用以下方法表示：=m0（x-xk）/ik根據(jù)經(jīng)向應力及環(huán)向壓力等參數(shù)的計算模型，即能夠計算出壓力容器的應力大小以及分布情況，進而通過對應力分布情況的判斷，評估容器的設計效果。2.2 基于應力線性化的壓力容器設計方案本章以某壓力容器為例，借助應力線性化原理，建立了容器的設計方案，并對其設計方案的合理性進行了分析：2.2.1 容器概況本容器擬定

6、的設計參數(shù)如下：（1）容器類型：立式壓力容器。（2）容器直徑：710mm。（3）容器手孔直徑：95mm。（4）容器材料：16mnr。（5）容器設計壓力：14.5mpa。（6）彈性模型：210gpa。（7）泊松比及螺栓力：分別為0.3及82kn。為判斷該設計方案是否合理，應首先采用ansys軟件，借助應力線性化原理，對容器壓力的大小以及分布情況進行觀察。考慮到該容器的結構以軸對稱式為主，采用非軸對稱模型對之應力情況加以計算適宜性較差，因此，本課題決定借助軸對稱模型，將經(jīng)向應力以及環(huán)向應力等指標，納入到計算過程中，分析容器的應力情況。2.2.2 設計方法本課題采用自下而上的方式，針對該壓力容器建立

7、了幾何模型。單元模型中，實體單元可以以plane83表示，關鍵指標可以以k表示。幾何模型建立后，設計人員對模型進行了技術處理，采用四邊形映射網(wǎng)格劃分的方法，將模型劃分為了不同的應力曲線。為得出壓力容器的等效應力，設計人員決定通過不斷增加荷載以及邊界條件的方式，記錄容器在不同條件下的不同應力大小。通過計算發(fā)現(xiàn)，該壓力容器的最大等效應力為304.5mpa。將該計算結果納入到應力線性化路徑中發(fā)現(xiàn)，根據(jù)路徑的不同，容器的最大應力同樣有所不同。2.2.3 設計結果計算得到結果如下：（1）路徑1：線性化應力為85.6mpa、峰值應力82.0mpa。（2）路徑2：線性化應力為150.2mpa、峰值應力100

8、.5mpa。（3）路徑3：線性化應力為152.6mpa、峰值應力110.8mpa。（4）路徑4：線性化應力為80.4mpa、峰值應力71.5mpa。（5）設計應力：241.5mpa?？梢姡捎蒙鲜龇桨冈O計壓力容器，均能夠滿足設計要求。為進一步降低設計成本，設計人員決定減小壁厚，使設計方案得到進一步的優(yōu)化。結論：綜上所述，本課題基于應力線性化原理，對某壓力容器的應力分布情況及應力大小進行了計算。發(fā)現(xiàn)，將該原理應用到壓力容器的設計過程中，可為設計方案的修改以及優(yōu)化，提供極其有價值的參考數(shù)據(jù)。未來，各相關領域應將應力線性化原理應用到壓力容器的設計過程中，使容器設計方案的合理性得以提升，使容器的使用壽命得以延長。參考文獻：1何錚，常華健，楊培