应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用分析.docx

应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用分析 胡洋 王超悌 尚英军摘要：应力线性化原理是压力容器设计过程中需借助的主要原理，是提高容器设计合理性的关键本文简要介绍了应力线性化原理，强调了将该原理应用到压力容器设计中的重要价值基于此，对应力线性化模型的建立方法进行了详细的探讨，并以某压力容器为例，在借助应力线性化原理的基础上，对其设计方案进行了分析，证实了该原理的应用价值关键词：应力线性化原理；压力容器；轴对称模型前言：压力容器属于石油、化工等领域所应用的主要设备，该设备设计过程中，如力学指标存在误差，极容易对容器使用的安全性造成影响，对容器使用寿命的延长不利实践研究显示，将应力线性化原理应用到压力容器的设计过程中，有助于提高容器力学参数的合理性可见，为优化容器的设计效果，对该原理的应用方法加以探讨较为关键1 应力线性化原理应力线性化，即将有限元分析所得到的应力分布曲线，进行线性化处理，使之“弯曲应力”、“薄膜应力”以及“峰值应力”的变化情况能够体现在曲线当中的一种力学分析方法[1]压力容器设计过程中，薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力，属于影响容器使用安全性的主要因素根据各应力名称的不同，其影响同样不同。

薄膜应力一般沿压力容器的截面均匀分布，应力的大小，与截面的厚度有关弯曲应力一般沿压力容器的截面线性分布，应力与截面厚度合力矩等效为提高压力容器设计的合理性，确保三项力学参数合理较为重要[2]2 应力线性化原理在压力容器分析设计中的应用2.1 应力线性化模型的建立方法应力模型包括非轴对称模型与轴对称模型两种，两种模型的建立方法存在一定的差异：2.1.1 非轴对称模型非轴对称模型所对应的应力，一般呈非线性的形式分布，应力一般沿压力容器的截面厚度方向分布根据压力容器静力等效以及静弯矩等效的不同，应力的计算模型同样有所差异计算时，需将“非线性应力分布值”、“弯曲应力”、“截面厚度”等参数，纳入到模型当中，提高结果的准确度模型中，线性化应力可采用δ表示，该指标的数值，与薄膜应力及弯曲应力有关如采用δ1代表薄膜应力，采用δ2代表弯曲应力，则δ的计算公式如下：δ=δ1-δ2针对压力容器建立非轴对称模型时，将薄膜应力及弯曲应力两项参数的数值代入到上述公式中，即可得到最终的计算结果2.1.2 轴对称模型轴对称模型的建立需参考的指标较多，其中经向应力、环向应力、剪应力等，均属于需要考虑的重要指标以经向应力为例，如以对称轴作为中心轴，旋转应力曲线，则可得到对应的经向应力公式。

公式中，应包括积分点半径、环向旋转角、路径方向与径向夹角等多个指标其中，积分点半径可采用R表示，计算公式如下：R=R0+xcosφ根据上述指标，可得到经向合力作用面积的计算公式如下：Ay=R0△θt公式中，Ay代表经向合力作用面积，R代表积分点半径将压力容器设计过程中所涉及的各项指标代入到上述公式中，即可得到有关经向应力的轴对称模型环形应力的计算方式，与经向应力模型存在一定的差异压力容器设计过程中，环向应力的大小与曲率半径以及中性面的位置有关如采用σ代表路径任意点上的环向弯曲应力，则该指标的模型可采用以下方法表示：σ=M0（x-xk）/Ik根据经向应力及环向压力等参数的计算模型，即能够计算出压力容器的应力大小以及分布情况，进而通过对应力分布情况的判断，评估容器的设计效果2.2 基于应力线性化的压力容器设计方案本章以某压力容器为例，借助应力线性化原理，建立了容器的设计方案，并对其设计方案的合理性进行了分析：2.2.1 容器概况本容器拟定的设计参数如下：（1）容器类型：立式压力容器2）容器直径：710mm3）容器手孔直径：95mm4）容器材料：16MnR5）容器设计压力：14.5MPa6）弹性模型：210GPa。

7）泊松比及螺栓力：分别为0.3及82kN为判断该设计方案是否合理，应首先采用ANSYS软件，借助应力线性化原理，对容器压力的大小以及分布情况进行观察考虑到该容器的结构以轴对称式为主，采用非轴对称模型对之应力情况加以计算适宜性较差，因此，本课题决定借助轴对称模型，将经向应力以及环向应力等指标，纳入到计算过程中，分析容器的应力情况2.2.2 设计方法本课题采用自下而上的方式，针对该压力容器建立了几何模型单元模型中，实体单元可以以plane83表示，关键指标可以以k表示几何模型建立后，设计人员对模型进行了技术处理，采用四边形映射网格划分的方法，将模型划分为了不同的应力曲线为得出压力容器的等效应力，设计人员决定通过不断增加荷载以及边界条件的方式，记录容器在不同条件下的不同应力大小通过计算发现，该压力容器的最大等效应力为304.5MPa将该计算结果纳入到应力线性化路径中发现，根据路径的不同，容器的最大应力同样有所不同2.2.3 设计结果计算得到结果如下：（1）路径1：线性化应力为85.6MPa、峰值应力82.0MPa2）路径2：线性化应力为150.2MPa、峰值应力100.5MPa3）路径3：线性化应力为152.6MPa、峰值应力110.8MPa。

4）路徑4：线性化应力为80.4MPa、峰值应力71.5MPa5）设计应力：241.5MPa可见，采用上述方案设计压力容器，均能够满足设计要求为进一步降低设计成本，设计人员决定减小壁厚，使设计方案得到进一步的优化结论：综上所述，本课题基于应力线性化原理，对某压力容器的应力分布情况及应力大小进行了计算发现，将该原理应用到压力容器的设计过程中，可为设计方案的修改以及优化，提供极其有价值的参考数据未来，各相关领域应将应力线性化原理应用到压力容器的设计过程中，使容器设计方案的合理性得以提升，使容器的使用寿命得以延长参考文献：[1]何铮，常华健，杨培勇.核电主设备分析法设计中应力线性化路径可靠性及优化分析[J].原子能科学技术，2017，51（07）：1273-1278.[2]何鸿.压力容器分析设计中应力线性化原理及其计算[J].辽宁化工，2014，43（07）：943-944+947. -全文完-。