压力容器分析设计解决方案(pdf5)(1).pdfVIP

首届FEPG 用户年会论文集 压力容器分析设计解决方案 张宏 1.压力容器的两种设计规范 压力容器是化工、石油化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广 泛使用的承压设备。尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一，但从整 体上看，一般以薄壁的旋转壳为主要构型，同时又可把整体分解为筒体、封头、法 兰、开孔、接管、支座等部件。这些部件构型相对比较简单，均具有明显的各自特 点，并可以方便地进行归类分析。 压力容器设计方法有两种，分别对应两种设计规范：我国的GB150 采用的是传 统的设计方法，称为“按规则设计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部 位进行详细的应力分析，而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计 做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、制造工艺等都必须满足一定的条件。 另一种更科学更严密的设计规范是JB4732 ，它采用 “分析设计”方法，要求对压力 容器进行应力分析和疲劳分析，由于这种定量分析结果使结构趋于更合理，因此， 用该规范设计的容器，可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。 按分析设计和按规则设计在力学概念、设计过程及设计结果上都有较大区别。 在强度方面，按规则设计所依据的失效准则是弹性失效准则，都把部件上可能出现 的最大应力 （或最大等效应力）限制在所用材料的屈服强度σs 之下，并与材料的强 度极限σb 保持一定距离，当结构的受力超过弹性范围，结构即告失效。按分析设计 考虑了塑性失效准则、弹塑性失效准则，并引入安全寿命的概念，对具有循环加载 特征的部件进行疲劳分析。一般情况下，按规则设计方法简便，易于被设计人员掌 握并具有一定的经验性。按分析设计方法对设计人员提出了更高的要求，设计人员 必须具有一定应力分析能力，掌握有限元软件等应力分析手段。分析设计过程的核 心是对部件做必要的应力分析，然后根据应力结果进行应力分类校核，根据校核结 果再优化设计。 2.面向设计工程师的有限元分析软件 如前所述，对设计人员而言，按规则设计和按分析设计的最大区别体现在是否 需要对压力容器做应力分析。目前，对结构做应力分析基本上有三种方法：解析分 析、实验分析、数值分析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷， 实际结构一般都比较复杂，要对它们进行解析分析决非易事，结构一般要进行简化， 而分析人员更要掌握较扎实深厚的力学理论知识才能完成这一重任。实验方法在其 精度上具有无可比拟的优点，但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时 费力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行最后的强度验证，不适于在设计过 程中采用。实际上最有效、使用也最普遍的应力分析方法是数值分析方法，通常是 159 首届FEPG 用户年会论文集 指有限元分析方法。目前有限元分析软件种类很多，按设计思想可分为三大类: (1) 通用有限元软件，该类软件发展较早，也比较成熟，因此市场占有率比较高。 其特点是功能比较完善，其通用性可覆盖多个领域。有的国外有限元软件甚至宣称 可以解决任何领域的几乎全部的有限元问题，当然这势必带来另一弊端，操作复杂， 不易掌握，功能利用率低，其高度集成化使其可扩充性也受到一定限制，并要求使 用者具有较深入的有限元知识。近年来，随着计算机技术和工程技术的飞速发展， 传统的通用有限元软件也受到两方面的挑战。一方面，高效的有限元算法日新月异， 工程现象的更合理的数学模型层出不穷，要求有限元软件内核能够在用户端具有可 扩充性。另一方面，软件从数学走向工程化也是当今工程软件业的发展方向。因此 在有限元软件领域又分化出另外两类。 (2) 有限元软件开发平台。这是一种基于算法的开发环境，使用者可以在该环境 下将自己的新的有限元算法和有限元模型方便、快速地生成有限元程序，其工作量 一般可以比直接开发减少到1/10，如有限元程序自动生成系统（FEPG ）。 (3) 专用有限元软件。该软件是针对具体的工程特点，按设计人员的思路将复杂 的有限元算法隐藏在背后，从界面和功能上可以作为工程设计的辅助工具，设计师 的得力助手。设计人员面对的不再是陌生的有限元专业术语，而是更加亲切的工程 语言。其优点显而易见，界面友好，使用方便，易学易用，更重要的是，不再要求 设计人员亲自