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压力容器的静力学分析与模态分析
压力容器的制造和使用都有严格规范标准，本文借助ANSYS软件对某型压力容器结构进行静力学分析与模态分析，结合压力容器分析设计标准JB4732-1995，对压力容器的应力结构进行评定，从而对压力容器结构进行强度校核。
本文所研究分析的压力容器结构如下所示，压力容器顶部开孔为非对称开孔，侧边开孔为对称开孔。压力容器筒体外径为1218mm，总高度为4058mm，顶部接管内径为212mm，侧边接管内径为468mm，筒体壁厚为28mm。压力容器的工作压力为3.2MPa，容器内工作温度为-25℃-55℃，整体结构材料为14Cr1Mo。
图1压力容器结构三维模型（右图为剖视）
表3.1压力容器结构应力分析的材料参数
材料
弹性模量（Gpa）
泊松比
许用应力(MPa)
14Cr1Mo
183
0.3
140
3.1有限元模型建立
采用ANSYSWorkbench进行静力学分析，需要先对压力容器结构进行网格划分，为提高计算精度，保证线性化应力后处理的准确性，对压力容器结构采用全六面体的网格划分，且在厚度方向上划分至少3层的网格。网格单元类型采用高阶单元类型，在ANSYS中的单元类型号为Solid186，Solid186单元结构如下图所示，该单元共有20个节点，单元形状为六面体，在六面体的顶点处共有8个节点，在六面体边的中点位置处共有12个节点，合计20个节点。Solid186可以很好的适用于线性或非线性的有限元仿真分析，同时还支持塑性本构、蠕变本构等一些特殊的非线性材料。Solid186属于实体单元，实体单元每个节点具有三个平动自由度，分别为UX，UY和UZ。结构厚度方向上布置多层网格单元，可以很好的分析出结构在厚度方向上的应力变化梯度，提高计算精度[13]。
图2Solid186单元类型结构图
采用workbench自带的Mesh功能对压力容器结构进行网格划分，整体的网格尺寸设置为15mm，厚度方向划分三层网格。最终网格总数为198204，节点总数为1033439,。有限元网格模型如下所示。整体网格尺寸较为接近，整个网格的分布相对均匀，在侧壁接管和顶部接管的倒角位置，网格做了适当的局部加密。网格划分方法主要采用扫略划分方法，整体网格均为六面体网格。
图3压力容器结构整体有限元网格模型
图4压力容器结构侧边开孔区域的局部网格
图5压力容器结构顶部开孔区域的局部网格（隐藏四分之一显示）
ANSYSWorkbench自带网格质量检查，压力容器结构整体网格的质量云图和质量柱状分布图如下图所示，其中网格质量等于1表示网格质量最好，网格质量等于0表示网格质量最差，压力容器结构的网格质量最小值为0.13，网格质量的最大值为1，网格质量的平均值为0.83，综合ANSYSWorkbench的网格划分经验可知，一般情况下要求网格质量的平均值大于0.7，且网格质量最小值不能位移应力不连续区域和重点分析区域[14-15]。本文划分的压力容器有限元网格满足网格质量的要求。如果网格质量较差，会引起不必要的应力集中，在无集中载荷和无几何过渡区域会出现虚假的应力集中，对于这种情况，在网格划分的时候是不被允许的，所以很有必要对结构的网格质量进行检查，若网格质量不满足分析要求，可以通过处理几何模型，或者直接加密网格尺寸来提升网格质量。
图6压力容器结构网格质量云图
图7压力容器结构网格质量柱状图
压力容器的工作压力为3.2MPa，容器内工作温度为-25℃-55℃。对压力容器工作中最危险的两种极端工况进行静力学强度分析，并结合标准进行强度校核。分析工况分别为：
工况1：-25℃下，内压3.2MPa
工况2：55℃下，内压3.2MPa
在压力容器结构的侧边接管和顶部接管位置施加等效载荷，等效载荷等于内压乘以开孔面积。压力容器的侧边接管的等效载荷为5.5e5N，压力容器的顶部接管的等效载荷为1.14e5N。等效载荷主要是模拟接管法兰或者堵头承受的压力总和[16]。
首先对压力容器进行温度场分析，压力容器罐体内壁温度分别为-25℃和55℃，压力容器罐体外壁设置常温条件下的空气对流换热。最终将ANSYS分析出的压力容器整体结构的温度场耦合至压力容器的静强度分析中，分析压力容器在温度、内压、自重载荷的应力和变形结果。
此处热应力耦合采用的是间接耦合算法，ANSYS中支持两种耦合算法，分别为间接耦合算法和直接耦合算法。其中间接耦合算法为首先计算温度场，其次将温度场的结构传递至应力分析，从而计算应力结果，间接耦合考虑了温度对应力结果的影响，但是并未考虑结构变形后对温度分布的影响，认为结构的变形为小变形，对结构的温度传递的影响很小，可以忽略。直接耦合法事通过定义直接耦合单元，在ANSYS分析模块中同时计算温度和应力，计算过程中软件会同
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