基于ansys的压力容器可靠性分析

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1、万方数据第30卷2O09第1期年2月核动力工程NuclearPowerEngineeringVbl．30．N0．1Feb．209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，以压力容器肇厚、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

2、对应力分布的敏感程度。关键词：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前言常用工程构件的设计方法有两种：传统的结构强度理论设计方法和可靠性设计方法。结构强度设计方法是假设各设计变量为确定值，并要求结构的工作应力小于材料的许用应力，即盯≤l盯l。这种设计方法中，材料的属性、结构尺寸、载荷等各种参数都是根据假设和理想化得到的，对这些因素的误差引入一个安全系数加以处理。严格说来，这些参数都不是确定的，具有一定的随机性和模糊性。可靠性设计方法假定设计变量为随机变量，依据可靠度或失效概率进行设计，也称为概率设计。相对

3、于确定性的评价方法，可靠性设计方法不但能给出较准确的失效概率值，还可给出结构的设计参数敏感性分析结果。本文应用ANSYS概率设计模块PDS的可靠性分析功能，采用蒙特卡罗法，以压力容器壁厚、压力载荷及材料的弹性模量作为随机输入变量，对压力容器的可靠性进行了分析。2ANSYS的可靠性分析功能ANSYS的概率分析的参数包括随机输入参数和随机输出参数。随机输入参数指影响分析结果的结构和载荷数据，如弹性模量、载荷、结构几何尺寸等。随机输出参数指有限元分析的结果，通常是随机输入参数的函数，如应力、应变等Ilj。收稿日期：2008-01．16；修回日期：2008

4、-08-28ANSYS的概率分析功能可实现可靠性设计。概率敏感性分析将随机输入变量分为对随机输出变量有显著影响的和相对影响不大的两组变量。这个功能将有助于设计者得到更可靠和质量更好的产品，并能提高计算分析效率，降低成本。ANSYS可靠性分析的常用方法有蒙特卡罗法、响应面法等。其中，蒙特卡罗法是一种适用面最广的方法，只要建模准确，模拟次数足够多，该方法所得结果可信度较高。ANSYS进行可靠性分析的一般过程包括：①选择、定义输入变量及输入变量之间的相关系数，确定各输入变量服从的分布类型、分布函数及其参数；②指定输出结果变量；③选择分析工具和方法；④执行

5、可靠性分析循环。3压力容器可靠性分析3．1问题描述某压力容器的设计压力P=-I．0MPa；设计温度50。C；筒体长度2000ram；简体内径R----1500ram；壁厚tl=14mm；椭圆形封头壁厚h=12mm；筒体削边长度L=100mm；容器材料为奥氏体不锈钢。本文主要进行简体与封头问应力的可靠性分析，算例中只考虑机械应力．忽略热应力。建立简化的有限元计算模型(图1)，省略压力容器的其他结构(如开孔接管等)进行应力分析。有限元模型采用PLANE82单元，并设定轴对称选项，万方数据“O核动力工程V-01．30．No．1．2009图1有限元模型示意

6、图Fig,1FEMModel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：O"m。≥盯，(1)式中，％。，为压力容器使用过程中按第三强度理论计算得到的最大等效应力，MPa；仃。为材料的屈服强度，MPa。本算例中取盯。为195MPa。极限状态函数为：zⅨJ=盯。一盯。。

7、(2)z伍)≤0为失效状态，求容器的可靠性就是求z伍)>0的概率。本例采用ANSYS有限元程序的概率设计功能PDS，选用蒙特卡罗法进行压力容器的可靠性分析。以容器的壁厚、压力载荷、弹性模量作为随机输入变量，材料的屈服极限为随机输出变量，计算结构的可靠度。在该结构的可靠性分析中，假设材料的几何尺寸、载荷、弹性模量E遵循正态分布(又称高斯分布)【2】。随机变量及其分布如表l所示。3．3可靠性分析结果查看ANSYS有限元程序概率分析的计算结果可知，z∞<0、置信度为95％的失效概率为表1随机变晕及其分布TablelRandomVariableandIts

8、Distribution随机变量分布类型平均值标准差ti／mm正态分布14lt．,／mm正态分布12l删Pa正态分布1．O