形状误差对压力容器力学性能影响分析

郑晨阳,彭祖洋,沈 强

（武昌船舶重工有限责任公司新产品研发中心,湖北武汉 430060）

0 引 言

进行压力容器设计时,设计者要按照相应标准,综合考虑压力容器的材质、几何形状尺寸、工作压力及试验压力、外载荷等因素,对整个压力容器进行强度计算,各项应力强度必须严格满足规范要求指标,并留有适量裕度。由于压力容器服役时的特殊工况,强度安全性是控制产品质量的最重要指标。在压力容器的制造施工过程中,由于冷热成形误差、焊接变形、热处理变形、工装变形等诸多因素耦合作用,最终的制成品难免与概念设计目标存在一定差距,在产品验收阶段,如果这些差距超过规范规定,则产品质量将视为不合格。对于承压较高的压力容器,其应力分布对容器的几何形状和尺寸非常敏感。本文主要讨论受内压圆筒圆度误差对其力学性能的影响。

1 理论圆截面模型分析

1.1 理论分析

承受内压的无限长圆筒,其微元体平衡方程为:

式中:σr和σθ分别为径向应力和切向应力;r为坐标半径。在轴向方向,由内压产生的应力为:

式中:εr和εθ为径向应变和切向应变。

求解式（1）和式（3）,并考虑三向应力状态的胡克定律,可解得弹性范围内的应力[1]:

1.2 有限元分析

在Ansys有限元软件平台中建立无限长厚壁圆筒受内压力的三维有限元模型。由于截面几何轴对称,建模时只建立1/4模型,在X和Y方向施加对称约束,在Z方向两端施加Z向位移约束。圆筒内径6 000 mm,壁厚70 mm。为精确显示厚度方向上应力分布规律,用SOLID185实体单元进行离散,求解方式为线弹性计算,弹性模量E=2e 11 MPa,泊松比ν =0.3,在全局柱坐标系下显示计算结果。……