【CAE案例】压力容器在高温高压下的热力学耦合分析

01 案例介绍

压力容器的应用领域十分广泛，诸如能源，石油化工等行业。因此，压力容器的市场也十分巨大。据统计，我国在2016年压力容器的市场份额高达1081.56亿元。然而，由于其应用场景多为易燃易爆物品的储存，因此其常常伴随泄露、爆炸、开裂等风险，尤其是作为某些特殊设备时，如核能设备，这类风险会伴随严重的事故。因此，在其设计阶段需要对其做热力学的分析。

本案例对某压力容器的裂纹做了瞬态的热力学耦合分析。本案例所采用的容器为轴对称的圆柱体，因此可以将该图形简化成二维平面。案例的内壁上有一层包层来保护金属底座。在此计算中，容器遇到冷冲击，在包层和金属层的边界处出现裂纹。本案例将计算这种瞬态下容器的温度场和应力场。

02 问题描述

 

本案例主要模拟了存在裂纹的压力容器在受热和内部压力的情况下，热传递的情况，以及裂纹演变的情况。

特殊的是，根据压力容器的结构，其内部与热源接触的部分为包层（图1），外部为结构钢（图2），因此，在分析此类特殊结构时需要将两种材料分开定义。

此外，本次仿真最终会给出压力容器从室温到受热升温的整个过程，因此材料的力学性能，如杨氏模量E，容积热容量ρcp会随温度变化。

在通用结构仿真软件中，可以通过定义Function的形式定义不同温度下材料的力学性能。在分析受力部分时，需要考虑压力容器受热对其力学性能产生的影响，因此需要使用热力耦合的方式进行计算。

本案例材料受热的物理参数呈非线性变化，热源也呈非线性，模拟了0到8000秒过程中的温度变化（7到50摄氏度）。在第51秒时突然加入50摄氏度的热源。此外，容器受到内部压力和Y轴正方向的拉力,初始压力为1.188MPa，到20秒时压力达到最大，为19.188MPa，并呈非线性增长。Y方向的拉力从初始的5.45MPa，在20秒内增长至88.09MPa，也呈非线性增长。

图1

图2

03 验证结果

 

压力容器在第8000秒时的受热状态为：温度最高的部位位于包层与热源接触的部位，为50摄氏度，温度最低的部位为金属最外圈，为48.3摄氏度。热量从包层逐渐传递到金属部分，符合传热的规律。为了观察裂纹部分的受热情况，本仿真计算裂纹某处在各个瞬态下的温度：在0到600秒时温度变化最快，之后温度变化逐渐减慢。

图三展示了压力容器在第8000秒时的受热状态，该状态显示温度最高处位于包层，温度最低处位于金属外围。但二者温度相差不大，这表明在第8000秒时处于较为平衡的状态。

图3

压力容器受由热源流体导致向外的压力和向上的拉力。压力容器受力产生变形，各点变形量一致，均为3.2mm。开裂处受拉力、压力影响，其裂纹逐渐向拉力方向呈圆弧状扩展。此外，本案例还考虑了开裂处瞬时的能量释放率。图四展示了压力容器的变形情况以及裂纹扩展的情况。

图4

04 结论

 

温度的快速变化会导致材料快速的受热蠕变，从而引起失效。根据仿真计算结果，该工况下的压力容器需要重点关注上述时间段的受力情况。同时，仿真计算过程也考虑了开裂处瞬时的能量释放率，通过比较此时的极限能量释放率，可判断压力容器是否存在风险。

文章来源：远算云仿真