非线性有限元法在压力容器分析设计中应用.pdf

第12期 一 ， 非线性有限元法在压力容器分析设计中的应用 沈望 ，黄志新 (1．惠生工程 (中国)有限公司，上海 201203) (2．安世亚太科技有限公司，北京 100026) [摘 要] 目前，将非线性有限元技术运用于压力容器分析设计尚处于探索阶段 本文从弹塑性力学基本概念、非线性有限元 理论基础、压力容器规范条款、有限元软件的应用及工程实例分析等方面，探讨了非线性有限元法在压力容器设计中的应用 和注意事项。 [关键词]压力容器；非线性有限元；弹塑性应力分析；分析设计 随着科学技术的发展，线性理论已远不能满 和具体步骤。新规范提供的各种分析方法大部分 足设计的需求，许多工程 问题如材料的破坏与失 是以数值分析为基础的。 效等仅靠线性理论无法解决，必须借助非线性分 1．2有限元软件的发展 析来考虑结构的大位移、大应变和塑性。压力容 20世纪理论和应用力学十大进展之一就是 器的分析设计也正在经历由求解线性问题发展到 有限元方法。基于有限元理论的有限元分析软件 求解非线性问题。 是实施结构分析不可缺少的重要工具。经过50多 1非线性有限元法的实施基础 年的发展，目前，世界上大约有两千多种有限元 1．1标准规范的进步 分析软件，比较著名的有：NASTRAN，ANSYS， MARC，ASKA，ABAQUS，其中很多软件都带有强 压力容器分析设计以往一直采用弹性分析设 大的非线性求解器，能实现各种非线性有限元分 计方法。以弹性分析代替塑性分析是一种工程近 析功能，这些工具已成为当代工程结构设计中的 似方法。实际结构的破坏往往是一个渐进过程， 重要组成部分 。在压力容器设计领域，对非线性 随着载荷的增加，高应力区首先进入屈服，载荷 有限元理论的应用和研究方兴未艾。 继续增加时塑性区不断扩大，同时出现应力重新 分布。当载荷增大到某一值时，结构变为几何可 2规范条款中重要概念的阐述 变结构，此时即使载荷不再增加，变形也会无限 压力容器 的弹塑性分析属于结构非线性分 增大，发生总体塑性变形。 析。非线性问题与线性问题相比有其 自身的复杂 过去规范中只是原则地提及可 以采用塑性 性和特殊性，涉及到很多专业的数学、力学理论 极限分析，但没有给出合格准则、评定方法等细 知识和求解技巧。 则，设计者难 以操作。2002年EN13445】【】颁布，其 2．1结构非线性的类型 附录B引入了新的压力容器分析设计方法一直接 结构非线性通常分为三大类 ：材料非线性 法。2007年，ASMEⅧ．2[2】进行了大幅度改编后颁 (Materialnonlinear) (或称物理非线性)；几 布，对总体塑性垮塌、局部失效、屈曲垮塌和循 何非线性 (Ge