高压空气储罐ANSYS 疲劳分析

范 欣, 谢禹钧, 刘复民，吴 东

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

结构在交变载荷下会发生疲劳破坏，19 世纪该问题已得到重视，并早已形成了疲劳设计方法。但由于受压容器的疲劳破坏特别容易发生在产生塑性变形比较大的高应变区，如接管根部等，并且破坏的循环周次比较低，因此压力容器的疲劳破坏属于低周疲劳破坏。

近50 年来，随着机械及化工行业的发展，许多设备需要承受交变载荷，而生产规模的大型化和高参数化（高温、高压、低温）也使得高强度材料广泛应用于设备制造中，这些因素的组合使得人们越来越重视疲劳分析，而疲劳分析的同时也成为分析设计的一个重要组成部分［1］。

1 问题描述

空气储罐普遍应用于工业生产和日常生活中。此类设备通常在交变载荷作用下工作的，除强度分析外一般需要做疲劳分析。实际上，在压力容器的疲劳设计中一般不采用ANSYS 的FATIGUE 模块进行计算，而是以应力分析为基础，确定交变应力幅值，再根据交变应力幅值由设计疲劳曲线确定允许循环次数，进行疲劳强度校核。

某高压空气储罐，最高工作压力Pw1=34.5 MPa，最低工作压力 Pw2=3.45 MPa，设计压力 Pd=37.92 MPa。设计温度为-29 ℃/50 ℃，弹性模量E=2 .02431x105，容器压力循环次数 20 000，使用寿命10 a。容器具体尺寸如表1 所示。

表1 结构参数Table 1 Structural parameters

人孔法兰在厚度一半剖切处左端环形截面上承受的由法兰内径截面上的压力F引起的轴向面力Fp0：

2 问题分析

首先对高压空气储罐的壳体进行压力应力分析，根据结构及载荷的对称性，建立轴对称有限元计算模型，壳体端部对称面施加对称约束。采用PLANE182 单元进行计算。建立二维模型，并采取自由网格进行网格划分。

壳体疲劳分析时，设定一个位置、一个事件及两个载荷的疲劳分析，确定载荷步加载、求解，载荷工况1，最高工作压力Pw1=34.5 MPa，人孔法兰在厚度一半剖切处左端环形截面上承受的由法兰内径截面上的压力Pw1引起的轴向面力Fp1=11.99 MPa。载荷工况 2，最低工作压力 Pw2=3.45 MPa，Fp2=1.2 MPa。工况1 减去工况2，求得工况3。在工况3 进行疲劳计算，疲劳曲线数根据JB4732-1995 确定，如表2，储罐材料设定0Cr18Ni9。

表2 疲劳曲线数据Table 2 Fatigue curve data

3 计算结果

3.1 应力强度

求得设计压力下最高应力云图如图，从图1 上可以看到2 个高应力强度区：

1） 球壳与过渡段连接部位球壳内壁，节点编号13 780，30 116，红色标识，如图2。

2） 人孔法兰外缘与半球形封头外壁连接处，封头侧节点31 675 的高应力强度区，红色标识，如图3 所示。

图1 应力强度图Fig.1 Stress intensity figure

图2 节点13 780、30 116 的最高应力强度图Fig.2 The highest stress intensity figure of node 31 675 and 30 116

图3 节点31 675 的最高应力强度图Fig.3 The highest stress intensity figure of node 31 675

红色标识的3 个节点的应力强度如表3 所示。

表3 节点31 780、30 166、31 675 的应力强度值Table 3 Stress intensity value of node 31 780,30 166 and 31 675

3.2 工况3 应力强度

图4 为工况3 的应力强度分布云图。确定总应力强度范围最大值的节点编号为31 780，它位于球壳与过渡段对接处，最大应力值为306.37 MPa。

图4 工况3 的应力强度云图Fig.4 Stress intensity figure of load case 3

3.3 疲劳分析

设定一个位置、一个事件及两个载荷的疲劳分析，根据JB4732-1995 输入S-N 数据，存储一个事件的两个载荷，设定一个事件的循环次数，即可进行疲劳分析，得到累计使用系数0.253 50<1，如图5 所示。

图5 疲劳分析结果Fig.5 Fatigue analysis results

4 结 论

1）采用有限元通用软件ANSYS 对高压空气储罐进行了有限元建模，通过应力强度分析获得最大应力的位置，得到最大应力发生在球壳与过渡连接部位球壳内壁，其最大应力强度值是374.17 MPa。

2）以应力分析为基础，确定交变应力幅值，再根据交变应力幅值由设计疲劳曲线确定允许循环次数，进行疲劳强度校核，经计算求得累积使用系数为0.253 50<1，因此该高压空气储罐疲劳强度计算通过。

［1］ 余伟炜，高炳军，等.ANSYS 在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］ 郑津洋，董其伍，桑芝富. 过程设备设计[M].北京：化学工业出版社.2009 .

［3］ JB 4732—1995 钢制压力容器—分析设计标准[S].

［4］ 刘涛，杨凤鹏，等.精通ANSYS [M].北京：清华大学出版社，2002.

［5］ 许艳玲，张保 .吸附塔的疲劳分析[J].现代制造技术与装备,2012,206(1):70-71.

［6］ 蔡慈平.浅谈压力容器的疲劳分析[J].化工装备技术，2008,29（4）:1-8.