020_ANSYS疲劳分析模块在压力容器设计中的应用

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1、ANSYS疲劳分析模块在压力容器设计中的应用[程伟丘波][中国寰球工程公司，100029][摘要]针对基于结构的弹性名义应力值确定的交变应力强度幅的确定方法和设计疲劳曲线的确定方法，简要叙述了对JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中附录C（以疲劳分析为基础的设计）的理解。以一受波动压力载荷作用的椭圆封头开孔接管结构为例，说明ANSYS软件的疲劳分析模块在压力容器设计中的应用方法。[关键词]疲劳分析压力容器有限元ANSYSApplicationofFSTARinPressureVesselDesign[Chen

2、gWeiQiuBo][HQCEC,100029][Abstract]Aimedatthemethodtodeterminethealternatingstressofstrengthbasedonthestructureoftheelasticnominalstressvaluesandfatiguecurveofdesign,brieflydescribedtheunderstandingofJB4732-1995<>inappendixC(fat

3、igueanalysisbaseddesign).Withaellipsoidalheadandnozzleopeningunderalternatingpressureforexample,explainedtheapplicationoftheFSTARofANSYSinpressurevesseldesign.[Keyword]FatigueanalysisPressurevesselFiniteelementANSYS1前言在工业生产中，由于操作压力的波动、开停车引起的压力波动、外加载荷的交变以及温度的交变而形成的温差

4、应力的波动等，使得压力容器产生疲劳失效事故的可能性大大增加，压力容器的疲劳分析设计越来越引起了业界的关注和重视。本文首先针对基于结构的弹性名义应力值确定的交变应力强度幅的确定方法和设计疲劳曲线的确定方法，简要叙述了对JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中附录C（以疲劳分析为基础的设计）的理解，然后以一受波动压力载荷作用的椭圆封头开孔接管结构为例，说明ANSYS软件的疲劳分析模块在压力容器设计中的应用方法。2对JB4732交变应力强度幅计算方法的理解根据附录C.1.2，标准中的交变应力强度幅是基于结构的弹性名义

5、应力值确定的，因此在应力计算时只涉及弹性计算。标准提供了两种情况下所考虑点的交变应力强度幅的确定方法。a.所考虑点的主应力方向在循环过程中不变。这种方法对应的常见情况有：①波动内压的方向不发生变化，只有数值变化；②波动温度的极值同时高于或低于计算参考温度；③不考虑结构大变形的弹性计算。可通过追踪所考虑点的主应力随时间的变化情况来更好地理解交变应力强度幅的计算方法。假设载荷在t1和t2时间段内完成一次循环，所考虑点的三个主应力分量随时间的变化情况如下所示：St()(=σ−σ)1212t则St()(=−σσ)2323tSt()(=

6、−σσ)3131tS12，S23，S31随时间变化曲线如图1～3所示。图1S12随时间变化曲线图2S23随时间变化曲线图3S31随时间变化曲线1SS=alt12r12SSS=−2rM1212AX12MIN1SSS=−⇒SS=rM2323AX23MINalt23r232SSS=−rM3131AX31MIN1SS=alt31r312一般情况下，ti’=tj’=tk’，ti”=tj”=tk”，且对应载荷的极值，因此只取极值时刻的应力状态即可确定交变应力强度幅。b.所考虑点的主应力方向在循环过程中发生变化。将所考虑点在循环条件下的极端

7、点（代数值最大或最小）所对应时刻的六个应力分量记为⎡⎤σσστττ,,,,,，其它各时刻的应力分量与极端点的应力分量之差为波动应力分量，⎣⎦xyzxyyzxzi记为⎡⎤σσστττ',',',',','，通过追踪所考虑点的应力分量随时间变化的情况来理解交⎣⎦xyzxyyzxzt变应力强度幅计算方法。假设载荷在t1和t2时间段内完成一次循环，所考虑点实际应力分量随时间的变化情况如下所示：波动应力分量为⎡⎤σσxx'()tt⎡⎤()⎡σxi()t⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥σσ'()tt()σ()t⎢⎥yy⎢⎥⎢yi⎥⎢⎥σσ'()tt⎢⎥()

8、⎢σ()t⎥zzzi⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥ττxy'()tt⎢⎥xy()⎢τxy()ti⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥τττ'()ttt()()⎢⎥yz⎢⎥yz⎢yzi⎥⎢⎥⎣⎦τττxz'()ttt⎢⎥⎣⎦xz()⎢⎣xz()i⎥⎦由波动应力分量合成主应力分量：St'()=(σ'−σ')12