压力容器强度分析与安全评定

2017-01-20刘瑞瑞张养治

中国设备工程 2017年5期

关键词：有限元法裂纹有限元

刘瑞瑞，张养治

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐 830011）

压力容器强度分析与安全评定

刘瑞瑞，张养治

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐 830011）

伴随着社会经济快速发展，科学技术水平也在不断提升，压力容器在社会的应用越加广泛。压力容器在制造及应用过程中，非常容易受到各种因素的影响，进而出现安全隐患，对于压力容器静载强度造成影响，出现脆性断裂的可能性显著提升。所以，对于压力容器强度分析与安全评定，对于压力容器应用具有关键性作用。进行压力容器强度分析时，主要通过ABAQUS限元软件进行分析研究，同时对压力容器进行安全评定，保证压力容器的质量及安全水平。

压力容器；强度分析；安全评定

我国对于压力容器进行研究是在20世纪70年代的时候，随着社会经济及科学技术水平不断提升，我国在压力容器强度分析与安全评定上面已经取得了十分显著的成果。特别是在近几年内，压力容器在发展过程中已经拥有了较为丰富的研究成果与实践经验，压力容器真正快速发展。压力容器的研究一直处于不断完善的状态，压力容器强度分析与安全评定有关科学技术不断改进，造成压力容器在强度分析上面逐渐倾向于高技术与高精准方向发展，压力容器安全评定安全性及科学性都在显著提升。

1 压力容器的强度分析

压力容器在强度分析过程中，应用最为广泛的研究方法应该为有限元法，在对于压力容器强度计算及分析过程中还能够应用有限元软件ABAQUS。

1.1 有限元法

1943年有关研究人员正式提出有限元法，有限元法在刚开始产生的时候主要在扭转问题计算内应用，主要作用就是计算出扭转问题最佳解，有限元法在经过不同完善及实践应用之后，逐渐在电子计算机计算内应用，主要是对于电子计算机复杂弹性有关问题进行分析研究。有限元法在实际应用过程中，主要是通过变分原理对于计算数据进行研究，然后将弹性体进行划分，形成单独弹性体，在应用有限节点和不同弹性体充分进行连接，构成单元体。在这种构成形式内的单元体内，每一个单元体都能够体现出整体弹性体在力学上面所发生的改变，使弹性体所具有的特性更加突出。

正是由于有限元法在实际应用过程中所具有的特点，所以能够在真实结构模型内应用，利用计算近似力学的方式计算出强度参数。有限元法在实际应用过程中能够对于多个方程式进行分析研究，具体步骤为：首先就将一个整体结构进行划分分散，让一个整体结构能够划分成为不同单元体；其次就是将每一个单元体内的刚度矩阵进行计算，按照所计算出来的数值与结果所具有的规律，构建总体平衡方程；然后还需要将外界支撑条件因素进行分析研究，结合到总体平衡方程之中，在对于总体平衡方面整体进行研究，计算出整体结构内每一个节点所一定的距离；最后就是按照每一个节点所移动的距离，将每一个单元体内的应力及应力变化进行分析研究。

1.2 ABAQUS有限元软件

有限元法在实际应用过程中，需要借助计算机才能够将有限元法所具有的优势全部发挥出来。所以，在对于有限元法有关软件或者是程序设计研发过程中，需要根据有限元理论知识，结合有限元单元格式及算法，对于软件或者是程序进行设计，同时还需要与计算机发展趋势相结合，这样才能够充分发挥出有限元法所具有的优势。就现阶段有限元所设计出来的软件或者是程序而言，其中应用最为广泛的就是ABAQUS有限元软件，该有限元软件内包含有限元算法内的较多单元格式，同时还能够按照不同材料，制作针对性的材料模型，网格划分等功能都能够自动化完成，在对于压力容器分析研究中，能够对于压力容器整个结构进行全面性了解。ABAQUS有限元软件在实际应用过程中具有良好的功能，同时还能够在力学结构系统内进行分析研究，在对于难度较高的非线性问题解决过程中，主要是通过构建模型机型模拟的方式。ABAQUS有限元软件在对于物体进行力学分析过程中，不仅仅能够对某一个单独存在的零件进行分析研究，同时还能够对于系统性元件进行分析研究，利用自身在分析上面所具有的能力，其模拟能力在实际应用过程中具有良好的稳定性。

1.3 应力评定

设计人员在对于压力容器设计过程中，为了能够最大程度提高压力容器所具有的安全性能及精确性，这样就需要压力容器在生产完毕之后，具有较高的安全系数，这样才能够保证压力容器在实际应用过程中所具有的效果。但是这种设计情况其他因素对于压力容器强度所造成的影响在分析上面就存在较高的难度，例如薄膜应力，同时为了保证压力容器所具有的屈服数值达到一定标准，在设计过程中产生错误观点，进而造成压力容器无法在实际应用过程中发挥出自身所具有的功能。对于压力容器内应力进行有效控制，能够保证压力容器整体都能够承受压力，并不是压力容器某一个局部承受压力，让压力容器在实际应用过程中能够充分发挥出自身所具有的作用。

2 压力容器的安全评定

压力容器在进行安全评定过程中，所应用到的基础理论就是断裂力学。断裂力学能够对于物体在含有裂纹的情况下所具有的强度及裂纹变化规律进行分析研究，进而形成有关安全评定。

2.1 断裂力学

在1920年科研人员正式提出断裂力学观点，断裂力学在刚开始产生的时候，主要应用到玻璃平版实验内，伴随着科研人员对于断裂科学不断分析研究，断裂力学在1948年正式产生。断裂力学可以划分为多种类别，现阶段应用最为广泛的应该是线弹性断裂力学，同时线弹性断裂力学也是对于压力容器进行安全评定理论基础。要是从裂纹形状特点进行划分，可以将断裂分为三种形状，分别是为穿透裂纹、表面裂纹与深埋裂纹；要是按照作用力类别进行划分，可以将断裂分化为三种类别，分别是张开型、撕开型与滑开型。笔者在对于不同种裂纹分析研究之后发现，在研究过程中需要从裂纹尖端作为研究切入点，从应力场与位移场进行全面性分析研究。在分析过程中，需要讲裂纹定点作为坐标起始点，按照线弹性理论进行分析研究，探索断裂在应力与位移上面所发生的改变，

在工程内，出现断裂最为常见的类别就是表面断裂，在对于表面断裂问题解决过程中，正常情况下都通过表面半椭圆裂纹解决措施。在对于压力容器进行安全鉴定主要从四个方面进行判断，分别是气孔、咬边、未焊透与夹渣，在对于这种问题解决过程中，一般都应用埋藏椭圆裂纹的解决措施。在对于压力容器进行安全评定中，在整个评定过程中搜需要按照断裂力学进行评定，这样才能够保证压力容器整体质量符合有关标准。

2.2 结果计算

在对于压力容器强度因子计算过程中，正常情况下都是通过应用有限元软件的方式计算。但是由于压力容器所出现的裂纹相对而言较小，所以在对于裂纹问题解决过程中，就需要将裂纹问题进行等效转化，改变为拉应力均匀的裂纹平板有关问题。压力容器在安全评定过程中，有限元法在应用过程中会构建模型，完成对于应力数值的计算。假设压力容器内部厚度要是88mm，这样所构建出来的模型长宽就应该为88mm与44mm，通过应用有限元模型对于强度因子数值进行计算，在这个过程中还需要与原有公式进行分析对比，保证有限元法所构建出来的模型能够更加科学合理。模型在构建完毕之后，就需要对于网格继续拧划分，网格划分对于计算结果精确性具有直接性影响，所以在划分过程中必须严格遵守有关标准。有关结果在计算完毕之后，需要对于结果进行重新计算预分析，进而保证所计算出来的强度因子数值科学合理。