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摘要：本文利用ANSYS软件对压力容器的开孔接管部位进行有限元分析，获得容器的应力分布情况，根据分析结果找出最大应力处及危险截面，对提高设计和安全校核的可靠性提供了数值参考。
关键词：压力容器 有限元分析 ANSYS 应力分析
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-575-01
1引言
压力容器广泛应用于化工、石油、机械、动力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部门。它是生产过程中必不可少的核心设备，是一个国家装备制造水平的重要标志。压力容器的设计方法有两种，分别对应两种设计规范。我国的GB150采用的是传统的设计方法，称为“按规则设计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部位进行详细的应力分析，而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、制造工艺等都必须满足一定的条件。另一种更科学、更严密的设计规范是JB4732，它采用“分析设计”方法，要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，由于这种定量分析结果使结构趋于更合理，因此，用该规范设计的容器可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。
压力容器为了完成工艺过程必须设置接口，以便物料流入与流出，同时为了便于检测与检修，需设置压力表接口、液位计接口、安全阀接口、人孔或手孔等，使压力容器上必须进行开孔接管。本文利用ANSYS有限元软件对筒体开孔接管进行了分析，根据获得的应力分布情况可找出应力最大的地方，对于提高设计和安全校核的可靠性提供了参考。
2、问题描述
压力容器筒体内径Di=500mm，壁厚tc=8mm，接管外径d0=159mm，壁厚为6mm，接管内伸长度Li=30mm，接管外伸长度L=200mm，外侧过渡圆角r1=8mm，内侧过渡圆角r2=6mm。内压P=1.8MPa。材料的弹性模量E=2.0e5MPa，泊松比为0.3。PROE三维模型如图1所示，对该容器的开孔接管区进行应力分析。
3、分析问题
由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。选择SOLID45单元对模型进行网格划分。对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移，筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc
4、求解问题
根据已知条件可得参数表如图2所示
4.1、建立模型
利用压力容器的对称性及已知参数，在ANSYS中建立1/4模型，即为压力容器的有限元实体模型如图3所示，针对建立的实体模型，选择SOLID45单元，输入材料特性参数：弹性模量E=2e5MPa，泊松比为0.3，对其进行网格划分，建立有限元分析模型如图4所示
4.2、施加约束及载荷
压力容器受到载荷综合作用后，几乎每个部分都会发生弹性变形和位移，但由于压力容器是轴对称结构，对于对称中心，其变形和位移可以忽略不计。因此，对筒体端面施加轴向平衡面载荷，对两个对称面分别施加对称约束，对接管端部施加轴向位移约束，即可得到施加約束及载荷后的有限元模型。
5、分析结果
通过后处理器得到等效应力分布云图见图5
从以上结果可以看出，该压力容器的最大应力发生在筒体与接管的连接区，最大应力强度为183.9MPa，而同时变形位移最大的地方也集中在这个区域，可以看出开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中。另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力。同时接管与壳体是通过焊缝连接在一起的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过度圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力，JB4732-1995对焊缝过度圆角做了较为详细的规定。在压力容器的设计和安全评定时应对接管部位特别引起重视。
6、结论
综上所述，采用有限元法不仅可以对压力容器的应力分布进行分析，了解容器受载时应力的分布，还可以直观的得到容器各个部位的应力值，为提高设计和安全校核的可靠性提供了数值参考。
参考文献：
[1] JB4732-95， 钢制压力容器分析设计标准[S].
[2] 景国泉.冷凝器大直径接管的应力计算与强度分析[J].压力容器，2002，19（5）：12-21.
[3] 董龙梅，杨涛，孙显.基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化[J].机械设计与制造，2008（6）：99-100.
关键词：压力容器 有限元分析 ANSYS 应力分析
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-575-01
1引言
压力容器广泛应用于化工、石油、机械、动力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部门。它是生产过程中必不可少的核心设备，是一个国家装备制造水平的重要标志。压力容器的设计方法有两种，分别对应两种设计规范。我国的GB150采用的是传统的设计方法，称为“按规则设计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部位进行详细的应力分析，而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、制造工艺等都必须满足一定的条件。另一种更科学、更严密的设计规范是JB4732，它采用“分析设计”方法，要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，由于这种定量分析结果使结构趋于更合理，因此，用该规范设计的容器可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。
压力容器为了完成工艺过程必须设置接口，以便物料流入与流出，同时为了便于检测与检修，需设置压力表接口、液位计接口、安全阀接口、人孔或手孔等，使压力容器上必须进行开孔接管。本文利用ANSYS有限元软件对筒体开孔接管进行了分析，根据获得的应力分布情况可找出应力最大的地方，对于提高设计和安全校核的可靠性提供了参考。
2、问题描述
压力容器筒体内径Di=500mm，壁厚tc=8mm，接管外径d0=159mm，壁厚为6mm，接管内伸长度Li=30mm，接管外伸长度L=200mm，外侧过渡圆角r1=8mm，内侧过渡圆角r2=6mm。内压P=1.8MPa。材料的弹性模量E=2.0e5MPa，泊松比为0.3。PROE三维模型如图1所示，对该容器的开孔接管区进行应力分析。
3、分析问题
由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。选择SOLID45单元对模型进行网格划分。对称面施加对称约束，接管端部约束轴向位移，筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc
4、求解问题
根据已知条件可得参数表如图2所示
4.1、建立模型
利用压力容器的对称性及已知参数，在ANSYS中建立1/4模型，即为压力容器的有限元实体模型如图3所示，针对建立的实体模型，选择SOLID45单元，输入材料特性参数：弹性模量E=2e5MPa，泊松比为0.3，对其进行网格划分，建立有限元分析模型如图4所示
4.2、施加约束及载荷
压力容器受到载荷综合作用后，几乎每个部分都会发生弹性变形和位移，但由于压力容器是轴对称结构，对于对称中心，其变形和位移可以忽略不计。因此，对筒体端面施加轴向平衡面载荷，对两个对称面分别施加对称约束，对接管端部施加轴向位移约束，即可得到施加約束及载荷后的有限元模型。
5、分析结果
通过后处理器得到等效应力分布云图见图5
从以上结果可以看出，该压力容器的最大应力发生在筒体与接管的连接区，最大应力强度为183.9MPa，而同时变形位移最大的地方也集中在这个区域，可以看出开孔接管区的应力状况非常复杂，这是因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必定会造成应力集中。另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力。同时接管与壳体是通过焊缝连接在一起的，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过度圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力，JB4732-1995对焊缝过度圆角做了较为详细的规定。在压力容器的设计和安全评定时应对接管部位特别引起重视。
6、结论
综上所述，采用有限元法不仅可以对压力容器的应力分布进行分析，了解容器受载时应力的分布，还可以直观的得到容器各个部位的应力值，为提高设计和安全校核的可靠性提供了数值参考。
参考文献：
[1] JB4732-95， 钢制压力容器分析设计标准[S].
[2] 景国泉.冷凝器大直径接管的应力计算与强度分析[J].压力容器，2002，19（5）：12-21.
[3] 董龙梅，杨涛，孙显.基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化[J].机械设计与制造，2008（6）：99-100.