基于ANSYS的压力容器可靠性分析.pdf

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1、第30卷第1期核动力工程Vol.30.No.12009年2月NuclearPowerEngineeringFeb.2009文章编号：0258-0926(2009)01-0109-03基于ANSYS的压力容器可靠性分析彭翠玲，艾华宁，刘青松，向文元（中科华核电技术研究院，广东深圳，518124）摘要：运用通用有限元分析软件（ANSYS）的概率设计功能，以压力容器壁厚、压力载荷及弹性模量为随机输入变量，模拟实际结构设计参数的随机性。选用蒙特卡罗法进行压力容器应力的可靠性分析，获得了该有限元分析模型的应力概率分布特征，得到了压力载荷、壁厚等设计参数对应力分布的敏感程度。关

2、键词：压力容器；可靠性分析；ANSYS；蒙特卡罗法中图分类号：TG404文献标识码：A1前言ANSYS的概率分析功能可实现可靠性设计。常用工程构件的设计方法有两种：传统的结概率敏感性分析将随机输入变量分为对随机输出构强度理论设计方法和可靠性设计方法。变量有显著影响的和相对影响不大的两组变量。结构强度设计方法是假设各设计变量为确定这个功能将有助于设计者得到更可靠和质量更好值，并要求结构的工作应力小于材料的许用应力，的产品，并能提高计算分析效率，降低成本。即σ≤[]σ。这种设计方法中，材料的属性、结构ANSYS可靠性分析的常用方法有蒙特卡罗尺寸、载荷等各种参数都是根据假

3、设和理想化得法、响应面法等。其中，蒙特卡罗法是一种适用到的，对这些因素的误差引入一个安全系数加以面最广的方法，只要建模准确，模拟次数足够多，处理。严格说来，这些参数都不是确定的，具有该方法所得结果可信度较高。ANSYS进行可靠性一定的随机性和模糊性。分析的一般过程包括：①选择、定义输入变量及可靠性设计方法假定设计变量为随机变量，输入变量之间的相关系数，确定各输入变量服从依据可靠度或失效概率进行设计，也称为概率设的分布类型、分布函数及其参数；②指定输出结计。果变量；③选择分析工具和方法；④执行可靠性相对于确定性的评价方法，可靠性设计方法分析循环。不但能给出较准确的失效

4、概率值，还可给出结构的设计参数敏感性分析结果。3压力容器可靠性分析本文应用ANSYS概率设计模块PDS的可靠3.1问题描述性分析功能，采用蒙特卡罗法，以压力容器壁厚、某压力容器的设计压力P=1.0MPa；设计温压力载荷及材料的弹性模量作为随机输入变量，度50℃；筒体长度2000mm；筒体内径R=1500对压力容器的可靠性进行了分析。mm；壁厚t1=14mm；椭圆形封头壁厚t2=12mm；筒体削边长度L=100mm；容器材料为奥氏体不2ANSYS的可靠性分析功能锈钢。ANSYS的概率分析的参数包括随机输入参本文主要进行筒体与封头间应力的可靠性分数和随机输出参数。随机输

5、入参数指影响分析结析，算例中只考虑机械应力，忽略热应力。建立果的结构和载荷数据，如弹性模量、载荷、结构简化的有限元计算模型（图1），省略压力容器的几何尺寸等。随机输出参数指有限元分析的结果，其他结构（如开孔接管等）进行应力分析。有限[1]通常是随机输入参数的函数，如应力、应变等。元模型采用PLANE82单元，并设定轴对称选项，收稿日期：2008-01-16；修回日期：2008-08-28110核动力工程Vol.30.No.1.2009表1随机变量及其分布Table1RandomVariableandItsDistribution随机变量分布类型平均值标准差t1/mm

6、正态分布141t2/mm正态分布121P/MPa正态分布1.00.1E/MPa正态分布2×10550.2×105.71%，即压力容器的可靠度为94.29%。最大等效应力的抽样过程如图2所示。图中上下两条曲线表示抽样过程向中间平均值曲线趋近的过程，其平均值趋向收敛；这表明本例采用蒙特卡罗的循环次数为500的模拟次数是足够的。图3显示了最大等效分布函数。从图3可看图1有限元模型示意图出，应力峰值分布的范围在108~223MPa之间，Fig.1FEMModel平均值约为164MPa，标准差为20.75MPa。建立1/4轴对称分析模型。筒体下端各节点约束轴向位移，椭圆封头对

7、称面各节点约束水平方向位移，内壁施加均匀压力面载荷。3.2可靠性分析由于压力容器的压力载荷、尺寸、材料属性都具有一定的随机性，容器的可靠性分析对于评估其受力状态和失效具有重要意义。假设压力容器在使用过程中，不允许应力超过屈服强度的事件发生，否则，认为失效。失效准则为：σmax≥σs（1）图2最大等效应力的抽样过程式中，σmax为压力容器使用过程中按第三强度理Fig.2MaxstressSampleHistory论计算得到的最大等效应力，MPa；σs为材料的屈服强度，MPa。本算例中取σs为195MPa。极限状态函数为：Z()X=σs−σmax（2）Z()X≤0为