基于ANSYS的矩形截面压力容器的参数化分析

2011-07-07王家海李红梅施玉安

制造业自动化 2011年18期

王家海，李红梅，施玉安

（1. 同济大学机械工程学院，上海 201804；2.上海北玻镀膜技术工业有限公司，上海 201614）

0 引言

压力容器是化工、石油、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。压力容器的基本要求是安全性和经济性，安全性是核心问题[1]。矩形截面容器是工业中常用的生产设备，由于其结构形状的复杂性，传统的常规分析方法具有局限性，对其进行结构分析很繁琐，甚至无法计算。因此，可以采用有限元分析方法对其进行应力分析，以保证其强度、刚度满足要求。

进行有限元分析时，需要反复进行“建模-网格划分、施加载荷约束-求解-结果后处理”，直到完成最终的结构设计。此过程中重复工作量非常大，延长了产品的设计周期。为了缩短设计周期，提高效率，对ANSYS进行二次开发，从而加快分析速率。

1 参数化分析

ANSYS分析问题时的标准步骤为：建立模型、划分网格、加载和求解、结果后处理。在实际工程应用中，需根据分析结果不断修改设计或对原有产品进行系列化设计，每一个新的设计都需要进行分析评定，分析时必须按照上述步骤进行，耗费了大量的时间，为了解决上述问题，利用ANSYS提供的参数化设计语言APDL进行参数化建模分析。

通过APDL参数化设计语言，建立相应的用户交互界面，就可以实现参数化的建模、参数化的划分网格、参数化的材料定义、参数化的加载和边界条件定义、参数化的分析控制求解和参数化的结果后处理[2]。分析流程如图1所示。

图1 参数化分析流程图

利用ANSYS参数化设计语言APDL进行二次开发，在ANSYS中声明宏定义，开发友好、易用的人机交互界面并制定相应的工具栏，将宏和工具栏按钮建立一一对应的关系，然后通过单击按钮，在弹出的界面中输入相应的参数，实现宏的调用，完成整个有限元分析的全过程。当分析结果不满足要求时，只需更改尺寸参数，即可完成分析。

2 压力容器设计方法

2.1 常规设计与分析设计

目前，压力容器设计所采用的标准规范有两大类：一是常规设计（Design by rule）标准；另一类是分析设计（Design by analysis）标准。常规设计是以弹性设计准则为基础，以壳体的薄膜理论或材料力学导出计算式常规设计从本质上讲，是基于经验的设计方法[3]。将应力限制在许用应力[σ]以下，使设计过于保守。因此，现实的设计已经很少采用常规设计标准。

分析设计采用塑性失效与弹塑性失效准则，允许结构内出现可控制的局部塑性变形，允许对峰值应力部位进行有限寿命的设计[3]。随着有限元分析方法的出现，各种分析软件的使用，使压力容器采用分析设计成为可能。根据应力产生的原因、作用的部位对容器的应力进行分类，按不同的设计准则来限制，防止容器的失效，使材料的承载能力达到最大的利用。

2.2 等效线性化

所谓等效线性化就是把实际应力曲线用静力等效的办法做线性化处理[3]。对压力容器进行分析设计时，必须把一次总体薄膜应力Pm、一次弯曲应力PL、一次局部薄膜应力Pb、二次应力Q、峰值应力F从计算的总应力中分离出来。再根据压力容器分析设计标准，对不同类型的应力加以控制。等效线性化方法是进行应力分类的常用方法。

3 应用实例

3.1 问题描述

某矩形截面真空容器，设计温度T〈200℃，设计压力P＝0.101MPa，材料均为16MnR，弹性模量E＝2.05×105MPa，泊松比γ＝0.3，常温下设计应力强度Sm＝188MPa，材料许用应力[σ]＝157 MPa。对容器进行机械强度分析。结构模型如图2所示。

3.2 问题分析

此结构整体采用焊接方式，结构形式较为复杂，分布有各种外接仪器、管道的孔、加强筋等结构。为了提高有限元分析的速率，对ANSYS进行二次开发，建立相应的参数化分析模块。

图 2 矩形截面真空容器

利用*ABBR定义缩写按钮，添加到工具条中。命令为：

*ABBR,MODEL,MODEL_MAC

*ABBR,STATIC,STATIC_MAC

*ABBR,STRESS,STRESS_MAC

单击工具条上的缩写按钮，即可调用不同的宏实现不同的有限元分析功能。

3.3 建立基于APDL的参数化有限元分析模型

矩形截面真空容器模型较复杂，建模时涉及的面、体比较多，而且需要对这些对象进行重复性操作，因此利用APDL进行参数化建模时最好不要直接利用对象的编号进行操作，建议将需要进行不同操作的对象选择出来后编成不同的组件，一旦创建了组件，就可以将它们当作操作对象进行直接操作。这样即使参数改变，相应的组件也会跟着变化，保证了模型建立的正确性。

通过建立如图3所示的界面，输入相应的模型尺寸，系统就会自动生成相应的有限元模型。