基于 ANSYS 的压力容器可靠性分析

张养治，马文江

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

基于 ANSYS 的压力容器可靠性分析

张养治，马文江

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

ANSYS 是一种大型通用的有限元分析软件，在众多的领域中都可以进行很好的应用。本文主要就大型通用的有限元分析软件ANSYS 在压力容器可靠性分析中机械的可靠性理论、模型的建立、加载及求解三个方面的内容进行论述。

ANSYS；压力容器；可靠性分析；机械；模型；加载及求解

随着经济的发展和社会的进步，人们对于产品的质量与品质有着越来越高的要求。其中可靠性成为了一个重要的衡量标准。机械结构的可靠性及其设计对于机械结构的可靠度具有直接的决定性影响。因此，对于机械可靠性的设计指标进行严格的控制，有利于机械产品的设计工作符合设计的参数要求。比如对于机械产品的材料性能、零部件的尺寸、载荷等进行严格的控制，可以对机械产品的这些随机的变量进行合理的控制和分析，得到较为合理的设计变量范围。因此，本文主要就 ANSYS 在压力容器可靠性分析中其机械的可靠性理论、模型的建立、加载及求解问题进行分析和研究，以便于我们进行压力容器的安全性设计与分析工作，全面提高压力容器的质量与安全，有利于其在众多的领域中进行广泛性的应用，为这些行业的发展与进步做出更大的贡献。

1 机械的可靠性理论

一般情况下，可靠性的研究对象有电子与电气的可靠性、机械的可靠性、零件与系统的可靠性、软件与硬件的可靠性等等。而广义上的可靠性也指某一对象的有效性与维修性。而可靠性往往在很大程度上与产品的设计有极大的关系。而可靠性的设计在众多的领域中都进行了应用。比如：汽车、飞机、机械产品的重要零部件等等都可以应用可靠性的设计来完成。ANSYS 是一种大型通用的有限元分析软件，它可以通过与计算机信息技术的融合性应用来实现数据的共享与交换。

ANSYS 是集流体分析、融结构分析、磁场分析、电场分析、声场分析为一体的有限元分析软件，具有技术先进、方便快捷的特点。因此它在众多的领域中都可以进行应用。因此，ANSYS 已成为现在国际上最为流行的有限元分析软件，已经被众多的院校在进行可靠性分析教学中进行使用。而压力容器具有非常多的类型。比如按照产品的品种进行划分，其主要有反应类型的压力容器、换热类型的压力容器、分离类型的压力容器、存储类型的压力容器等。压力容器因为具有对安全性要求高的特点，因此对其可靠性进行科学、仔细的研究与分析就具有了非常重要的意义。而将 ANSYS 有限元软件与压力容器的可靠性分析进行结合，可以应用 ANSYS 有限元软件的网络化技术优点，对于压力容器的可靠性进行更加直观性、科学性的分析，有利于我们对压力容器的一些相关数据进行完整性的分析与求解，最终验证压力容器的可靠性。其中，基于 ANSYS在压力容器可靠性设计，与一般机械产品的设计具有非常大的不同，其主要有以下三个特点。

第一，基于 ANSYS 的压力容器其安全系数的取值不仅仅与可靠性设计中的应力、强度均值有关，还与曲线的离散程度有关。而一般的机械性产品只需对可靠性设计中的应力值、强度数值随曲线的分布特点进行分析。从这一点来看，可靠性压力容器设计中安全系数可以通过 ANSYS 有限元软件中的函数在计算机中进行直观化的展现，可以更为真实地反映出压力容器的最真实状态。

第二，压力容器可靠性设计中对于强度的考虑随时间的增长而减弱，导致可靠性的表达具有时间的限制。因此我们完全可以依据可靠性的设计来预测压力容器的使用寿命。具体来讲，压力容器在经过了多少小时后，其失效的概率是多少。

第三，压力容器的可靠性设计与其周围的环境条件具有非常大的关系。比如环境介质、温度的变化、冲击振动等因素都对于压力容器的可靠性设计起着非常重要的影响。其中对于分析压力容器的可靠性，往往可以通过对其应力值与强度值之间的关系进行分析与实现。比如：其强度值大于应力值，表示该压力容器具有可靠性的特点，它是在进行正常的工作。

而强度值与应力值都是连续变化的变量，我们可以通过有关的分析将其绘制在同一坐标中进行分析。而它们主要呈现出三种情况。第一，强度值与应力值概率密度函数曲线不重叠、所有的强度值都大于最大的应力值。第二，强度值概率在坐标轴中左移、强度值与应力值概率曲线有一部分发生了重叠，导致一部分的强度值小于应力值中的较高取值。第三，强度值概率在坐标轴中与以往比较继续左移，使得强度值与应力值的坐标曲线完全不重叠，导致所有的应力分布值都大于最大的强度值。对于以上的理论进行仔细的研究，有利于我们依据这些理论建立起有效基于 ANSYS的压力容器可靠性分析的模型，并且对于模型中的数据与信息进行验证和求解。

2 模型的建立

ANSYS 作为一种大型通用的有限元分析软件需要与现代的网络计算机技术进行融合性的应用。因此，我们对于基于 ANSYS 的压力容器可靠性进行分析，就可以采用构建出网络模型的方式来进行。比如：我们构建出一个带接管的内压容器对其进行有效的分析，如图1。

图1 带接管的内压容器

这个带接管的内压容器主要的参数有接管尺寸508mm×10mm,容器尺寸2200mm×18mm,补强圈尺寸 1000mm×18mm,弹性模量 2.1×105MPa，受均布内压 1.0MPa，容器半径服从正态分布 5.5mm，其应力值服从 1.83mm，容器壁厚服从正态分布18mm，其应力值服从 0.36mm，接管半径服从正态分布 254mm，其应力值服从 0.42mm，接管壁厚服从正态分布 10mm，其应力值服从 0.2mm，扬氏弹性模量服从正态分布 young，其应力值服从young×0.02，均布内压服从正态分布 pressure，其应力值服从 pressure×0.05。因此，我们根据模型对称的结构，建立具有四分之一的有限元实体模型的压力容器，在模型的断面处对于对称边界进行约束，对于其连续对称性结构进行模拟。将压力载荷施加在容器的内表面，对其实体模型进行网络化的划分。因此，我们通过对于带接管的内压容器在正态分布情况下的分布进行分析，就可以通过对此模型的应用及可靠性的公式进行该压力容器可靠性系数的求解，最终建立起压力容器强度值与应力值的概率密度函数，通过有关的运算，对于随机的变量进行全面的分析与求证。比如通过对于联结方程的运用，可以使压力容器的应力、强度等的数字特征以及它们的随机变量在标准正态分布表中进行集中性的展示，最终得出可靠性的联结系数。

3 加载及求解

完成以上的模型构建之后，我们需要对于基于ANSYS 的压力容器模型进行加载与求解。

具体来讲，第一，带接管的压力容器的最大变形量为 1.432mm，使其最大强度值的可靠度保持在95% 左右。第二，对于带接管的压力容器的最大应力值做输入变量的敏感性分析。第三，如果带接管的压力容器的强度值与应力值都是常规的实数，我们需要对于其强度值及应力值的常规实数进行求解，即应用 ANSYS 中的结构静力学进行分析，计算其在固定不变下载荷作用结构的效应，使该带接管的压力容器最大变形量的数值为 1.644mm。通过以上的步骤后，我们就会得出带接管的压力容器真实的强度值与应力值，再通过其理论中的强度值始终大于最大的应力值，就可以得出该压力容器具有非常好的稳定性，可以进行安全的应用。

4 结语

对于基于 ANSYS 有限元分析软件的压力容器可靠性问题进行科学、有效的分析与论述，我们可以应用弹性力学、概率论、数理统计等理论建立起的可靠性分析理论，对于压力容器可靠性分析与传统的方式进行合理化的比较，可以使分析、计算的结果更加的准确、客观、全面、科学，为我们进行压力容器的可靠性设计与分析提供了重要的依据，保障了设计出来的压力容器具有安全性的特点。

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1671-0711（2017）03（下）-0186-02