Ansys在压力容器行业的典型应用（下）

压力容器热棘轮效应安定性分析

• 设计中的难点

‐ 平均应力和交变载荷联合作用时，每次循环可能使容器产生一个不可逆的塑性应变增量，当塑性应变值递增至材料塑性被耗尽时，就会发生断裂。这种断裂与一般的疲劳破坏不同，一般的疲劳虽也伴有局部的反复塑性变形，但不引起容器外形尺寸有宏观变化。棘轮效应却伴有应变的单向增量，引起容器直径逐步增大鼓胀。压力过大的波动会引起机械棘轮效应，热应力波动循环过大会引起热应力棘轮效应。在疲劳分析规范中给出了防止发生热应力棘轮效应的许可的最大循环热应力极限值计算方法

• Ansys技术方案

‐ 由于非线性随动强化准则可以模拟包辛格效应而适用于大应变和循环加载。它也能模拟棘轮效应和调整。WB中支持非线性随动强化准则中比较有名的Chaboche 随动强化模型 (CHAB)

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise

裂纹参数评估，SMART裂纹扩展

输入条件

材料属性

裂纹几何特征

外载荷

结果与效果

✓应力强度因子，J积分，能量释放率

✓含裂纹的疲劳寿命

✓指定循环次数后的裂纹尺寸

压力容器接管处损伤容限分析

• 设计中的难点

‐ 现有的压力容器疲劳分析方法是以无缺陷的光滑试样疲劳试验为基础，总寿命包括裂纹萌生和扩展至断裂的各个阶段。实际构件很可能已存在初始微小裂纹或宏观裂纹，其寿命仅指疲劳裂纹扩展部分，原有的疲劳曲线方法就不适用。断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用提供了有效的方法，其寿命主要取决于疲劳裂纹扩展速率da/dN(a为裂纹尺寸)和断裂的临界裂纹尺寸ac。

• Ansys技术方案

‐ 围绕裂纹顶点的有限元单元应该是二次奇异单元，其中节点放到1/4边处。（这些单元称为奇异单元），Ansys经典划分奇异单元比较麻烦，在WB会比较方便。WB通过两种方式进行断裂力学网格划分，我们分别计算容器部件的某接管处产生初始裂纹后，应力强度因子和J积分，G能量释放率的计算。

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise

催化两器-反应再生器应力水平分析

• 设计中的难点

‐ 催化两器-反应再生器是炼厂关键设备之一，近年来催化两器曾发生过多起裂纹引起的失效案例。为了降低两器设计应力水平，提高安全度，采用Ansys的热分析与结构分析以及耦合模块，对同轴式反应-再生器的整体结构、封头、筒体、裙座、封头、人孔与接管等部位进行了全面温度场模拟与应力分析，并适当调整了结构尺寸，达到了减低工作应力的目的。

• Ansys技术方案

‐ 采用Ansys Mechanical通过对接管处的应力详细评估，应力线性化，进行强度评定，修改实际结构，使得结构的可靠性进一步提高。

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise

预处理塔静强度及疲劳评估

• 设计中的难点

‐ 预处理塔的强度和疲劳是设备设计安全的重要考虑因素之一。

‐ 根据预处理塔的结构特点，应进行上封头、下封头及筒体开孔三部分的应力分析。强度评定中，线性化处理进行一次、二次应力评定。最后进行耐久性评估。

• Ansys技术方案

‐ 采用Ansys Mechanical对设备的强度进行评估

‐ Ansys ncode对设备的疲劳进行评估

• 推荐Ansys模块

‐ Ansys Mechanical Enterprise + ncode

椭圆封头中心接管应力分析

输入条件

几何模型、内压、弯矩、接管端部轴向平衡拉力

仿真流程

结果与效果

✓得到了在内压及接管弯矩共同作用下结构的应力分布及变形；

✓按照JB4732-1995 《钢制压力容器- 分析设计标准》对封头与接管连接焊缝处危险截面进行应力强度评定，分析结果表明，强度满足要求。

加压气瓶的跌落

输入条件

几何、材料数据、跌落高度、失效条件

输出

预应力结果

跌落评估

压力管道流体-结构-热耦合及线性化评定分析

输入条件

压力管道几何模型、入口介质流速/温度、对流系数、螺栓预紧力、内压

仿真流程

结果与效果

✓通过热流体流体特性，计算得到管道温度分布、热应力与机械应力综合分布及热变形，从而对管道危险截面进行线性应力评定分析

压力容器尺寸优化分析

输入条件

压力容器三维几何模型，材料参数，载荷及约束条件，接触连接关系。

仿真流程

结果与效果

✓分析各设计变量对输出参数的影响趋势，为压力容器设计提供技术支持。

✓通过优化分析可以方便地实现设计方案修改、多方案对比和优化设计，使压力容器设计在满足强度和有限元寿命的前提下进行轻量化设计。

球罐动力学分析

输入条件

球罐三维几何模型、厂房内部构件楼板响应谱转换为人工拟合时程、接触连接关系。

仿真流程

结果与效果

✓在地震波时间历程中，球罐上下两顶点的位移最大，并且两者位移基本相同；

✓球罐在地震作用0.2秒时具有最大动应力，球罐在地震作用0.2秒时满足结构强度要求，球罐在整个地震过程中始终处于安全运行状态，不需对其另行补强。

高塔及加强圈振动特性分析

输入条件

塔体及加强圈结构参数

当地风荷载计算

仿真流程

结果与效果

✓探索加强圈（圆管支架）加固高度风荷载对塔体的动态响应，随着加固高度的增加，塔体最大受力逐渐降低

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