ANSYS极限载荷分析法在压力容器设计中的应用

田志军

（江苏中建设计研究院有限公司，宁夏 银川 750000）

随着社会的进步与科技的发展，当前在压力容器分析设计中的弹性分析应用力分类法已经相法普及。但是在具体的实践过程当中，弹性分析应用力分类法并不能够准有效地将一次与二次应力强度进行分辨，若只控制一次应用力的话显得过于保守，但是以二次应力控制却又显得冒进，如果采用一次结构法又需要大量的时间与设备及成本投入，且操作难度大，因此必须探索出一套高效快捷的办法。

1 弹性应力分析法

压力容器应力分析设计规范GFD-V3与SB9527-2013（2015年确认）把应力分为了以下几个类别：（1）一次总体薄膜应力Pm；（2）一次局部薄膜应力为 Pl；（3）变曲应力为Pb；（4）二次应力为Q及（5）峰值应力F。再按照不同的安全限值来对应力进行评定。可是如果使用有限元方法分析计算那么就不能给出完整的结果，只能够得出总应力结果，那么要怎么样才能够把总应力细分为以上五个类别就成为现阶段亟待解决的问题。

对于上文中出现的问题，国内学术界也给出了一针对性的应对方案，比如说常见的一次结构法：这种方式的核心就是机械载荷所产生的二次应力和总体结构不连续性关系密切，而不连续位置要通过变形的方式来维持因累也产生二次应力，如果解除限制那么二次应力就会消失，那么整体结构也不会出现连贯性；若解除限制之后的结构仍然能够承载那么就可以将其归类到二次应力之中。新结构里面如果出现高应力那么就可以重复上述流程，并持续到新结构能够满足一次应力强度为止，而这就是一次结构法的核心，这些解除限制之后的结构被统一称之为“一次结构”。

2 极限载荷分析法

ASDF-2—4214当中对应力分类法和极限分析法进行了完整、详尽的说明，并运用应力分类法来对总体薄膜力、局部薄膜应力以及一次弯曲应力进行确定，从而有效发避免发生止塑性垮塌，而这种方式也只是一种近似解。

极限载荷分析和总体塑性变形具有密切关系，因此被广泛地用于任何规定的顺序之中并能够接受单一或者多种一静载荷。根限载荷分析对于结构极限有一个明确的下限值并作为数值模型解：（1）材料模型：运用规定屈服强度的全塑性（屈服强度为1.6Sm确定塑性的极限），并von mises函数与关联流动的法则；（2）应变与位移关系：小位移理论的应变与位移关系；（3）必须要没有出现变形结构的前提下满足平衡关系。

3 极限载荷分析法的ANSYS实现

以某压缩机储罐为例，该空气储罐的设计压力为1.5MPa，设计温度为80.C，介质为压缩空气，封头有105mm接管开孔，而且受到压载荷的封头组件为轴对移结构并将其设为轴对称结构，同时还要把二维轴对称模型进行相应的优化与调整，接管位置施加压力载荷，在简体模型下侧施加油向位移。文中运用了两种方式对结构极限载荷进行求解，并从其中选出最具性价比的方式：

3.1 第一种方法

为了能够确保数值解的稳定性与可靠性，就必须要对网格划分的要求进行提高。分析材料设计CDSS（双彘性各向同性强化材料选项）以von mises准则。而且在求解过程中如果载荷上升到极限时ANSY会进行错误提示，帮助用户对极限载荷进行判断。

3.2 第二种方法

载荷如果出现小增量扩大到极限载荷时那么结构也会产生相应的变化，如果使用常规求解那么有限元解会出现发散。ANSYS给出针对求解不稳定问题的技术，弧长就是一种较为常见的技术，通过这种方式能够有效地帮服整体差异性问题，而且还能够对负载荷位移斜率曲线进行模拟。但是在运用弧长法的过程中，必须要保障载荷上的解收敛或ARCTRM命令设定的标准进，弧长求解法则会自动停止如果是可变结构就必须要ARCTRM设置来停止求解条件。

4 结语

极限载荷分析法对弹性分析应力分类结构评定法的补充与完善，并有效地提高了应力分类结构评定法的效率与质量，必然会在未来的压力容器设计工作当中被普及与推广。