基于Ansys软件对压力容器的应力及疲劳分析

赵敬群，李首霖

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

基于Ansys软件对压力容器的应力及疲劳分析

赵敬群，李首霖

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110869）

在往复压缩机配套的压力容器中，有很大一部分容器具有工作压力高，同时承受气体脉动载荷的特点。通过选取出口缓冲器，对于主要开孔区进行了应力分析、评定和疲劳分析，为实际工程应用中压力容器的设计，提供了部分可靠、有效的理论依据。

压力容器；疲劳分析；应力评定；应力分析；ANSYS软件

1　引言

压力容器是涉及多行业、多科学的综合性、通用性产品，在压力容器常规设计中，以GB150《压力容器》作为核心的基本标准。新版标准GB150《压力容器》-2011的发布，基于风险的设计理念首次被引入，进行风险评估的要求和实施细则在容器设计阶段，也在标准中出现了。部分缓冲器在使用过程中承受高温、高压，同时受气体脉动载荷的影响，为保障缓冲器在工程应用中的安全，有必要对应力集中，结构不连续位置进行应力分析、评定，并作相应的疲劳分析，进而实现其高的可靠性和高的安全性的目的。

2　结构参数

本文模拟的是某往复压缩机的排气缓冲器，设计压力P=20.1 MPa，设计温度T=150℃，腐蚀裕量为3 mm，材料负偏差δ不大于0.3，不足筒体壁厚6%，可以不必考虑；筒体材料选取碳钢：Q345R，接管材料：锻件16 Mn；筒体内径Φ= 700 mm；壁厚t=55 mm；弹性模量E=194×103MPa；泊松比μ=0.3。结构简图见图1。

图1

3　应力分析

根据缓冲罐的结构，支撑部分采用可调节的楔形支座，不属于刚性支撑，所以只针对筒体、封头及开孔区域建模。分别建立2个模型，由于结构的对称性，筒体开孔部分选取1/4接管及1/2筒体及封头建立模型；基于轴对称特性，建立封头开孔部分的平面模型。

选用Solid45模块，对筒体开孔部分建模，对于筒体、封头及接管的截面施加对称面位移约束，20.1 MPa的内压载荷施加于筒体及接管的内表面，同时轴向位移约束被施加在接管端面，网格的具体划分及载荷施加，如下图2所示。运行分析后，得应力云图如下图3所示。

图2

图3

封头开孔部分，选用Solid82号单元建模，K3值选取轴对称形式，封头底端截面线上施加轴向位移约束，施加20.1 MPa的内压载荷于封头及接管的内边线上，同时施加轴向平衡载荷pc于接管端面，按如下公式计算

pc=pDi2/（Do2-Di2）

式中Di——接管内径

Do——接管外径

网格的具体划分以及施加的载荷，如图4所示。运行分析后得应力云图，如图5所示。

图4

图5

4　强度评定

4.1应力分类

对于应力的分类可依据其出现的源由进一步对结构失效的影响进行归类。其中，在容器结构中面积大，没有自身限制特性，用于平衡其外部机械载荷所必需的应力，被称为一次应力。在容器结构中面积小，集中于总体结构间断处，拥有自限性，用于实现结构变形的相互协调，附加在一次应力之上，为一自平衡力系的则称为二次应力。在容器结构中面积仅次于二次应力，也拥有自限特性，对棘轮效应和塑性疲劳没有作用，由局部结构间断引起的应力，作用于一次和二次应力之上，称为峰值应力。

4.2评定准则

基于失效行为，可以将其分为：一次、二次、峰值应力。

（1）一次总体薄膜应力强度：pm≤KSm

（2）一次局部薄膜应力强度：pL≤1.5 KSm

（3）一次弯曲应力与一次薄膜强度之和：pL+ pb≤1.5 KSm

（4）一次加二次应力强度：pL+pb+Q≤3 Sm

（5）总（峰值）应力强度：pL+pb+Q+F（交变幅）≤2 Sa

（6）总应力强度：S1+S2+S3≤4 Sm

一次应力强度的控制，可选取其中评定准则（1）～（3）式，依据塑性极限载荷分析可以知道，p≤pS/ns（ns作为极限载荷的安全系数，一般选取1.5；pS：塑性极限载荷）；其中，通过加、卸载荷的塑性安定性分析可代替和递增性塑性变形（棘轮效应）和控制塑性疲劳的评定准则（4）式；控制弹塑性疲劳选取（5）式的评定准则，控制脆断的则应用（6）式的评定准则。

4.3评定结果

进行应力分析后，依据载荷的性质和应力分类准则进行应力分类，然后依照设计准则对各类应力予以评定。分别对图3和图5中的A，B，C，D，E，F，G，H路径作线性化处理，应力评定结果如下表1所示。

表1　应力评定结果

5　疲劳分析评定

通过对2个模型在内压力载荷作用下的应力强度最大点进行比较发现，筒体开孔模型具有应力强度最大值，参照API618往复压缩机出口压力波动值≤7%，对该模型的最大应力强度点在下列载荷步工况下进行疲劳分析。

（1）疲劳计算的事件为1个，每个事件中有2个载荷，同时节点位置为1个，即最大工作压力（p=17.976 MPa）和最小工作压力（p=16.8 MPa）。

（2）采用S-N曲线，即应力幅（Smax-Smin）/2与疲劳循环次数的关系曲线，定义材料的疲劳性质。材料为16 Mn，属于低合金钢，可根据JB4732-1995确定其疲劳曲线数据，如表2所示。

表2　疲劳数据（S-N数据）

（3）容器使用寿命10年，考虑检修等因素，选取每年360天；根据往复压缩机工作原理，电机选取300 r/min，每转2次压缩，缓冲器工作循环次数：

根据碳钢特性，循环次数大于106次，材料趋于疲劳强度极限，疲劳曲线呈现水平段，即：可认为应力幅低于86.2 MPa，材料可无限次循环，所以计算过程中选取106次进行计算。

（4）在疲劳分析计算中，考虑到设计温度的影响，按下式对求得的Salt值进行修正。

Salt′=Salt×E/E（t）=Salt×2.1e5/1.94e5

其疲劳结果分析如下：

图6

累计使用次数=1，应力幅为13.375 MPa＜86.2 MPa，低于疲劳强度极限，即疲劳校核合格。

6　结语

本文基于对往复机配套高压缓冲器的案例进行分析计算，得到了缓冲器的壳体的应力云图分布和形变，对缓冲器各处的应力都进行了强度评定，同时对于应力强度最大点处进行了疲劳分析。结果显示，缓冲器各处应力均满足应力强度前提，（1）基于Ansys有限元软件，运用于壳体的有限元分析，得到各处的应力的精确计算，能够更直观的反映出应力分布情况，进而在确保压力容器的安全性的基础上，考虑经济性因素，可以针对具体部分进行优化设计；同时，为工程设计过程中，有可能出现的复杂结构、创新结构或是新工艺、新材料等，提供有效方法和理论依据。

并且疲劳校核合格。通过此次应力分析，总结如下几条结论：

（2）对于封头部分应力分析，进行了多次建模、网格划分以及相关资料的查阅，应力分布情况还有待进一步研究。

（3）对于往复压缩机相应的缓冲器进行疲劳分析设计，在行业使用经验的基础上，进一步提供具体的理论依据，证明疲劳强度的可靠性，同时更进一步保证了压力容器在使用过程中的安全性，可靠性。

［1］GB150-2011.压力容器标准释义.

［2］余伟炜.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.

［3］JB4732 1995.钢制压力容器一分析设计标准［S］.北京：新华出版社，2005.

［4］李建国.压力容器分析设计的一些问题［J］.压力容器，2011.

［5］李建国.压力容器分析设计的力学基础［J］.压力容器，1985，2（1）：71-77.

［6］李永泰.压力容器分析设计需讨论的若干问题［J］.压力容器.

［7］陆明万，徐鸿.分析设计中若干重要问题的讨论（二）［J］.压力容器，2006，23（2）：28-32.

［8］赵少汴，蓝伙金.抗疲劳设计——方法与数据［M］.北京：机械工业出版社，1997.

Analysis of Stress and Fatigue of Pressure Vessel Based on Ansys Software

ZHAO Jing-qun，LI Shou-lin
（Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang 110869，China）

A great parts of vessels in reciprocating compressor have the characteristics of high pressure as well as enduring gas pulsating load.Taking the outlet buffer tank in this paper，the main opening holes region is carried out stress analysis，assessment and fatigue analysis.The analysis provides partial reliable and effective theoretical basis for the design of pressure vessels in the practical engineering application.

pressure vessel；fatigue analysis；stress assessment；stress analysis；ANSYS software

TH49

B

1006-2971（2015）01-0052-04

赵敬群，女，高级工程师，现在沈阳鼓风机集团股份有限公司从事压力容器设计。

2014-12-26