外压柱壳有限元计算探讨.pdf

石油化工设计 Petrochemical Design 外压柱壳有限元计算的探讨 王 小敏 (中国石化工程建设有限公司，北京 100101) 摘要：为了利用有限元分析方法解决特殊结构的外压稳定计算问题 ，对一般外压圆筒的稳定问题，分 别以有限元分析方法与经典解及GB150图算法进行对比分析，结果发现外压有限元计算结果在定性上与 经典理论公式吻合较好 ，数值上外压有限元法结果偏大，特别是针对短 圆筒的外压计算。通过对非线性 屈曲和特征值屈曲的对比，发现非线性屈曲计算结果和特征值屈曲计算相差不大，考虑到工程计算，采用 特征值屈曲即可满足需求。 关键词：外压计算 有限元 特征值屈曲 非线性屈曲 石油化工设备中有不少承受外压的容器，如 1)+(2n一1一x／2)[1+(L)／(rrR。)]一} (1) 带夹套的容器、真空容器等。容器在外压作用下， 式中：／,／为圆筒失稳时可能出现的波数。 当外压达到一定量级 (临界压力)时，可能会改变 2)Bresse—Bryan公式一长 圆筒 [L≥1．1D 原来的平衡状态出现显著的变形，甚至使结构完 (D。 ) ]。 全丧失承载能力，出现结构性失稳。因此确定容 P。=2．19E(D。／6。) (2) 器 出现失稳的临界压力非常重要，外压容器设计 3)美 国海军试验水槽公式一短 圆筒 [L 时，只要满足容器外压小于临界外压，设备就不会 1．1D。(D。／。) ]。 出现失稳。规范及标准 中只给出了外压圆筒和外 P。=2．6E(D。／6) ／[(L／D。)一0．45(D，／ 压球壳的计算公式，对于一些特殊的结构如外压 6) ] (3) 锥壳、弯头及开孔等，规范中没有给出一个明确的 解决方法。建议采用有限元计算的方法来评估标 2 有限元外压计算方法 准中没有涉及的结构在承受外压作用时是否安 外压容器的有限元计算有两种分析方法：特 全，但本身有限元对外压计算的模拟准确度有多 征值屈曲分析和非线性屈曲分析。所谓屈曲分析 少，本身也是个需要考证的问题。 是指一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界 采用商用 ANSYS软件通过一系列的算例与 载荷和屈曲模态形状 (结构发生屈曲响应时的特 理论公式及标准规范 的计算对比，说明有限元 征形状)的分析技术 。 法计算外压圆筒问题时的准确性。从而为其他结 特征值屈曲的计算原理：拉应力作用下应力 构的外压计算能否采用有限元方法提供依据。 刚度矩阵[s]可以加强结构的刚度，压应力作用下 应力刚度矩阵 [．s]可 以减弱结构的刚度。对于受 1 经典外压圆筒计算公式 压的情况，当压应力增大时，弱化效应增加，当到 外压圆筒的理论分析计算较为复杂，为了便