外压作用下大开孔圆筒壳的失稳分析.pdf

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1、第53卷第2期化工设叠与誓遵V01．53No．22016年4月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGApr．2016外压作用下大开孑L圆筒壳的失稳分析赵慧磊1。占双林2(1．北京大通日盛工程软件开发有限公司，北京100085；2．中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京100085)摘要：通过ANSYS有限元软件建立三维壳单元模型，对承受外压的局部大开孔圆筒进行非线性失稳分析研究，得到失稳临界压力和安全系数；并通过vB语言对ANSYS软件进行二次开发，编写了VAS．ANS软件。VAS-ANS是一款基于ANSYS完全参数化命令流的基础上，与AN

2、SYS对接的一款接口软件，能够完成ANSYS建模、加载、后处理等工作，能够与ANSYS软件无缝接口，使得整个失稳分析更加简单高效。关键词：大开孔；壳单元：有限元法；负压失稳分析中图分类号：TQ053．2；TH123文献标识码：A文章编号：1009．3281(2016)02．0013—003外压容器是指工作时内压小于外压的压力容器。外压容器的失效机制与内压容器不同。当内外压差达到一定值时，容器就会因丧失稳定性突然失去其几何形状而出现皱曲，这一现象称为失稳，失稳时的表压力称为失稳临界压力11-71。对于外压作用下圆筒壳上的小开孑L接管实际设计中可以不考虑其局部失

3、稳，但对于圆筒壳上的大开孔接管是有必要对其进行失稳分析的。但常规的理论计算仅能得到圆筒壳的失稳临界压力，对外压作用下的大开孔圆筒壳的失稳分析必须借助有限元手段。有限元失稳分析有线性特征值分析和非线性屈瞳分析两种方法，其中非线性屈曲分析因考虑了初始缺陷并逐步加载而更为准确。工程中负压失稳问题又比较普遍，为方便实际工程设计，笔者通过VB语言对ANSYS软件进行二次开发，编写了VAS—ANS软件。VAS．ANS是一款基于ANSYS完全参数化命令流的基础上，与ANSYS对接的一款接口软件，能够完成ANSYS建模、加载、后处理等工作，能够与ANSYS软件无缝接口，使得

4、整个失稳分析更加简单高效。线性稳定分析因为忽略了屈曲前变形的影响，常导致过高估计了结构的临界载荷。特别是对拱、壳类结构，用线性稳定分析得到的临界载荷通常比用非线性稳定分析得到的要高出许多。因此，对于大多数实际结构采用非线性稳定分析是必要的。对于工程中大开孔结构的稳定性校核，目前还没有理论计算公式。通过采用ANSYS有限元分析软件的非线性屈曲分析功能，可以很好地解决以上问题。利用ANSYS软件提供的参数化设计语言APDL编写简体开孑L结构稳定性全自动化分析程序÷对其在不同临界载荷进行分析比较后，最终确定结构的临界外压，并按照JB4732—1995《钢制压力容器

5、——分析设计标准》对其进行稳定性评定。1设计参数柱壳开孔结构简图见图1。主要参数如下：设计压力：～1．0MPa设计温度：20℃筒体内直径：1200mill筒体壁厚：12mm筒体长度：2000111111接管内直径：1100rnnl接管壁厚：10m／n接管长度：300millVAS—ANS软件采用shelll81单元生成有限元模型。收稿日期：2015．01．05；修回日期：2016．03—17作者简介：赵慧磊(1974一)，女，北京人，工程师。主要从事化工设备相关软件开发与分析设计研究工作。“。’”。与一遵第53卷第2期图1大开子L结构简图Fig．1Schem

6、aticdiagramofthelargeopening2材料特性大开孔稳定计算中涉及的材料全部物理常数均在设计温度下查取所得，由于开孔在高低温度下(20℃)物理常数差异不大，为简便起见，取20℃下材料的性能参数。3载荷及约束条件外压为1．0MPa。根据所研究设备在接管两侧的加强圈的设置情况，选取接管两侧加强圈间的那段简体和接管构建有限元模型。结构从柱壳底部约束了轴向位移，柱壳两端各点约束切向位移。4计算结果通过ANS．VAS接口将有限元模型导人ANSYS软件进行非线性失稳分析，将结果中位移中(以)最大的失稳点找到，程序将自动找到结果曲线中导数=0的曲线，停

7、止计算；这时结构的刚度矩阵是载荷幅值P和位移向量U的非线性函数。将最大的失稳点做位移和l临界载荷图，然后从图中提取l临界载荷。把所有的有限元前处理数据以及各节点的温度信息导入ANSYS中进行计算。线性计算一阶模态作为非线性计算初始缺陷，初始缺陷按照载荷放大系数放大，见图2。大变形非线性结果如图3，变形如图4。5使用ANS．VAS软件时需要调整的参数(1)载荷放大系数1．1至1．4之间；(2)初始缺陷系数5是指初始缺陷的放大系数：标准中规定“用样板沿壳体径向测量的最大正负偏差e不得大于规定的最大允许偏差值，应按照GB150的承受外压及真空容器检查壳体的圆度进行

8、分析输图2线性计算结果Fig．2Resultsofl