摘要：隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，壓力容器承受的循環(huán)載荷情況日益增多，產(chǎn)生疲勞失效事故的可能性也在增加，壓力容器疲勞分析設(shè)計(jì)越來(lái)越引起人們的關(guān)注和重視。本文以齒嚙式快開壓縮空氣反應(yīng)罐部分結(jié)構(gòu)為例，基于有限元應(yīng)力分析的方法對(duì)其運(yùn)用ansys進(jìn)行計(jì)算，得到其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特性，并按照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器---分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析設(shè)計(jì)，保證壓力容器在使用周期內(nèi)的安全性，提高齒嚙式快開壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

　　關(guān)鍵詞：有限元;壓力容器;疲勞分析;

　　引言

　　在常規(guī)設(shè)計(jì)中，壓力容器是按照受靜載荷的條件下來(lái)考慮的，即認(rèn)為容器中所受的應(yīng)力是不隨時(shí)間而變化的，但實(shí)際上容器在交變載荷作用下運(yùn)行的情況是非常普遍的。例如：頻繁的間歇操作及開、停車等造成的工作壓力和各種載荷的變化;運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)壓力波動(dòng);運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的周期性溫度變化;在正常的溫度變化時(shí)，容器及受壓部件的膨脹或收縮約束等都將使容器中的應(yīng)力隨時(shí)間成周期性變化。

　　而在交變載荷作用下壓力容器受壓部件中的焊接接頭附近、結(jié)構(gòu)不連續(xù)的部位及開孔接管等區(qū)域內(nèi)常常會(huì)產(chǎn)生很高的局部峰值應(yīng)力，由于這些局部峰值應(yīng)力很大，常�？梢赃_(dá)到容器總體薄膜應(yīng)力的2~4倍。在交變載荷的反復(fù)作用下，會(huì)使材料晶粒間發(fā)生滑移和錯(cuò)位，逐漸形成微裂紋，隨著載荷的不斷循環(huán)，微裂紋不斷擴(kuò)展，進(jìn)而形成宏觀疲勞裂紋貫穿整個(gè)壁厚，最終導(dǎo)致容器發(fā)生疲勞斷裂。

　　本文通過運(yùn)用有限元分析方法對(duì)齒嚙式快開壓縮空氣反應(yīng)罐部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化建模計(jì)算，得到其結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律，判斷其應(yīng)力危險(xiǎn)截面，并按照J(rèn)B4732-95《鋼制壓力容器---分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析設(shè)計(jì)，協(xié)助提高齒嚙式快開壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

　　1壓力容器應(yīng)力疲勞分析算例

　　壓縮空氣反應(yīng)罐結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)溫度是0～80℃，設(shè)計(jì)壓力是2.5MPa，充氣壓力是1.0～2.0MPa可調(diào)，使用年限為10年，操作次數(shù)為1.5萬(wàn)次/年，總循環(huán)數(shù)15萬(wàn)次。載荷與實(shí)踐的關(guān)系示意圖見下圖1，按照GB150-2011《壓力容器》中規(guī)定的許用應(yīng)力對(duì)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。

　　2建立模型

　　有限元模型單元采用ANSYS軟件中的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(SOLID 45)�？s空氣反應(yīng)罐殼體施加2.5MPa內(nèi)壓,罐體法蘭齒上邊緣施加邊界等效壓力，P為設(shè)計(jì)壓力2.5MPa。根據(jù)罐體、罐蓋、法蘭及卡箍結(jié)構(gòu)特性和承載特性，在有限元模型構(gòu)建中，將筒體和法蘭一起建模，并取其1/12構(gòu)建有限元模型(一個(gè)齒)。 針對(duì)壓縮空氣反應(yīng)罐具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取罐體法蘭結(jié)構(gòu)為例，建立相應(yīng)的有限元模型進(jìn)行應(yīng)力和疲勞分析，并對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)研究，建立有限元計(jì)算模型如下：模型中施加的位移約束為：罐體法蘭在筒體底部平面施加Y向平動(dòng)位移約束，兩側(cè)面施加對(duì)稱約束。

　　3應(yīng)力分析

　　應(yīng)力分析的目的是為了確定在規(guī)定載荷作用下, 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、所選擇的應(yīng)力評(píng)定點(diǎn)或截面的應(yīng)力分布及最大值和最小值、元件內(nèi)所考慮點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化, 以此為基礎(chǔ)確定交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Salt。罐體法蘭結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為255.952MPa，發(fā)生在罐體封頭與筒節(jié)處;罐體法蘭最大應(yīng)變值為1.15688mm，發(fā)生在罐體法蘭齒根處。

　　4強(qiáng)度評(píng)定

　　進(jìn)行應(yīng)力分析后, 應(yīng)根據(jù)最終應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。強(qiáng)度評(píng)定是針對(duì)局部點(diǎn)進(jìn)行的, 首先應(yīng)根據(jù)分析計(jì)算所得到的應(yīng)力分布選定應(yīng)力評(píng)定點(diǎn)或截面, 根據(jù)載荷的性質(zhì)和應(yīng)力分類準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力分類, 然后根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)各類應(yīng)力予以評(píng)定。應(yīng)力線性化路徑的選取原則是：通過應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短方向設(shè)定應(yīng)力線性化路徑。為顯示清楚，取出感興趣部分進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

　　5疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

　　疲勞分析設(shè)計(jì)是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ),在結(jié)構(gòu)滿足一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的限制條件的前提下, 求取交變應(yīng)力強(qiáng)度幅, 利用設(shè)計(jì)疲勞曲線, 進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核, 從而評(píng)定結(jié)構(gòu)承受疲勞載荷的能力。

　　機(jī)械論文投稿刊物：《壓力容器》(月刊)創(chuàng)刊于1984年，是合肥通用機(jī)械研究院承辦的科技期刊。主要報(bào)道我國(guó)壓力容器領(lǐng)域的最新科研成果、實(shí)用技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)信息等。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)分析得出，壓縮空氣反應(yīng)罐的罐體法蘭滿足計(jì)算規(guī)定條件下的應(yīng)力強(qiáng)度要求和疲勞強(qiáng)度要求。由于疲勞破壞的裂紋源一般總是在由于種種結(jié)構(gòu)不連續(xù)所引起的局部峰值應(yīng)力部位或材料因內(nèi)在質(zhì)量或冷熱加工過程等所引起的原始或焊接缺陷處, 所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或制造過程中總是力求減小結(jié)構(gòu)的不連續(xù)程度以及減少種種缺陷。為確保壓力容器的安全運(yùn)行, 對(duì)一些頻繁加載卸載工作條件下的壓力容器, 其強(qiáng)度設(shè)計(jì)不僅需要滿足一次總體薄膜應(yīng)力的靜力強(qiáng)度要求和滿足局部應(yīng)力的安定性要求, 而且還應(yīng)考慮由于峰值應(yīng)力引起的低周疲勞破壞。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王國(guó)周，瞿履謙主編，鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)，清華大學(xué)出版社，

　　[2]JB4732-95，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

　　[3]GB150-2011，壓力容器，中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

　　作者：楊權(quán) 周帥彪