压力容器稳定性分析

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1、压力容器稳定性分析谢全利（华陆工程科技有限责任公司设备室，西安710054）摘要对于受外压的容器，除了圆筒、球壳、锥壳和有限定的开孔外，其他的很多形状以及不均匀的载荷等都无法按照现有的标准规范进行稳定性校核。本文通过分析结果的对比，确定了基于有限元屈曲分析为基础的压力容器稳定性分析方法和评判准则。关键词薄壁；压力容器；稳定性；屈曲；分析设计；PressureVesselsStabilityAnalysisXieQuanli(HualuEngineering&TechnologyCo.,Ltd,EquipmentDivision,Xi’an710054)Abstract：Forthe

2、vesselinoutsidepressure,inadditiontocylindricalshell,sphericalshell,coneshellsandlimitednozzleopening,manyoftheother,aswellasnon-uniformshapeoftheloadcannotbeinaccordancewithallexistingstandardsforcheckingthestability.Bycomparingtheresultsoftheanalysisidentifiedbasedonfiniteelementanalysisofbu

3、ckling,thispapergetthemethodofthestabilityofthepressurevesselanalysisandevaluationrule.Keywords：Lamella；Pressurevessels；Stability；Flexure；Designbyanalysis；所谓压力容器的失稳是指压力容器承受外载荷或其他不稳定载荷超过其一临界值时突然失去其几何形状的现象。不同形式的容器以及不同形式的载荷所引起的失稳后的几何形状是不同的。失稳又称屈曲。它并不是结构的强度不足而造成的失效。研究压力容器稳定性的目的在于确定容器的临界载荷以及其相应的失稳模

4、态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。1.压力容器稳定性的常规计算对于简单的结构，如压杆、外压圆筒、外压球壳，欧拉、米西斯等人推导有经典的理论公式可以求得理论的临界载荷。圆筒临界外压的米西斯公式为：[1]式中：-------临界外压力，Mpa；---------圆筒有效厚度，mm；----------圆筒外半径，mm；E------------材料弹性模量，MPa；-----------泊松比；------------圆筒的长度，；------------圆筒曲屈时形成的波形数目。承受外压的回转壳，尽管各国容器得设计规范所推荐的方法有所不同，但大体上都是以米西斯公式为基础推导出

5、来的[1]。为对于球壳和圆筒以外的其他结构，都是采用近似成圆筒或球壳进行计算的，因此误差较大。各国标准对结构加以限制，并选取适当的安全系数以满足工程的一般需要。也就是说，对于均匀外压的筒体、封头、锥壳以及满足标准限制的开孔，现行压力容器标准给出了计算方法。对于超出标准限制的结构和载荷情况的压力容器的外压稳定性计算需要寻求新的手段和方法。1.压力容器稳定性分析压力容器分析设计的发展和大型有限元软件的出现使上述问题的计算成为可能。理论上讲，任何形状，任何载荷分布情况的外压容器都可以采用以有限元为基础的分析设计的方法求解屈曲载荷。Ansys软件中提供了两种结构屈曲载荷的分析方法：特征值屈

6、曲分析和非线性屈曲分析[2]。1.1.特征值屈曲分析特征值屈曲分析也称线性屈曲分析，它用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度。例如，一个压杆稳定的特征值屈曲分析结果，将与经典欧拉解相当；外压圆筒的特征值屈曲分析结果与米西斯公式的计算结果相当。但是，初始缺陷和非线性使得很多结构都不是在其弹性屈曲强度处发生屈曲。因此，特征值屈曲分析经常得出非保守的结果，通常不能用于实际工程分析。1.1.非线性屈曲分析非线性屈曲分析比特征值屈曲分析更精确，故需用于对实际结构的设计或计算。该方法用一种逐渐增加的非线性静力分析技术来求得结构开始变的不稳定时的临界载荷。应用非线性技术，模型中可以包括初始缺陷，

7、扰动等特征。本文以下提及的初始缺陷指的是加工制造的实际形状与理论几何形状的偏差，如圆筒的不圆度。初始缺陷对结构的临界载荷影响很大，因此GB150的制造、检验和验收章节对承受外压及真空容器的壳体不圆度进行了限制。非线性屈曲分析需采用以下步逐：a)用特征值屈曲分析方法求取结构的特征值屈曲载荷Q以及特征屈曲模态；b)设置初始缺陷为特征值屈曲模态，最大变形量为加工制造的最大偏差，最大载荷为1.2Q，考虑材料为理想弹塑性材料模型，采用弧长法加载；c)选取最大位移点的位移为横坐标