基于ANSYS的厚壁容器疲劳分析.pdf

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1、基于ANSYS的厚壁容器疲劳分析Fatigueanalysisforthick-wallvesselbasedonANSYS谢业东，农琪XIEYe-dong，NONGQi（广西工业职业技术学院，南宁530001）摘要：应用ANSYS软件进行厚壁容器疲劳分析，阐述了分析的具体步骤，为工程中对厚壁容器进行疲劳分析提供一种可行的方法。关键词：厚壁容器；法兰；有限元分析；疲劳分析中图分类号：TH49　文献标识码：A　文章编号：1009-0134(2010)10(上)-0111-03Doi:10.3969/j.issn.1009-01

2、34.2010.10(上).360引言结构在低于静态极限强度的交变载荷的重复作用下出现断裂破坏的现象称为疲劳。据估计，压力容器运行中的破坏有75%以上是由疲劳引起的。厚壁容器由于壁厚大，应力分布不均匀，材料尺寸大，在制造中常产生难以发现的缺陷，因而同样存在着疲劳问题，其破坏力比一般压力容器更大，因此，疲劳失效问题在压力容器设计中已越来越引起重视。压力容器的疲劳破坏属于低周疲劳破坏。[1]影响疲劳强度的主要因素有：1）载荷的循环次数；2）每个循环的应力幅值；3）每个循环的平均应力；4）存在局部应力集中现象。本文利用ANSYS程

3、序对典型厚壁容器的筒体端部法兰结构进行疲劳分析，并且考虑法兰力矩的影响。图1端部筒体的结构和几何尺寸1应力分析设计Ex1=2×105MPa，Mu=0.3。设计条件：设计温度为常温，工作压力波1.3仅内压作用下的有限元分析模型动2.5~25MPa，载荷每小时波动次，年平均先不考虑端筒法兰力矩的作用，选择足够工作小时，设计服役年，则设计循环次数为长的筒体和端部结构进行分析，稍后再施加法510000×2×10=2×10。兰力矩。1.1厚壁容器结构及几何尺寸根据厚壁容器的结构特性和载荷的对称性，厚壁容器端部筒体（以下简称端筒）的结取

4、端筒螺栓孔最底处剖分面以下部位和筒体建立构、几何尺寸及设计参数如图1和表1所示。如图2所示的轴对称有限元计算模型，筒体下端约1.2容器材料及其参数束轴向位移，端筒剖分面施加由法兰内径截面上厚壁容器材料为16MnR，弹性模量和泊松比的内压引起的轴向面载荷。收稿日期：2009-12-05基金项目：2009年广西教育厅科研项目(200911MS336)作者简介：谢业东（1966-），男，广西邕宁人，副教授，硕士，研究方向为压力容器设计与制造。第32卷第10期2010-10(上)【111】表1设计参数表1）有限单元选择采用ANSYS

5、软件中的8结点二维实体单元(plane82)划分网格得有限元模型如图1-3所示。2）位移边界条件在图3所示坐标系中，厚壁筒体下端处施加轴向约束。3）施加载荷设计压力Pd=26.25MPa。端筒剖分面处轴向拉应力。4）有限元应力分析结果厚壁筒体结构在设计压力下不考虑法兰力矩的应力云图如图4所示。由应力云图得知最大应力强度注：发生在筒体上部内侧，节点号为，节点应力强度分布如下：选取最大应力强度节点11354和它对应的外表面节点10379定义路径A-A，进行应力线性化结果如下：PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUG

6、HASECTIONDEFINEDBYPATH=SET1DSYS=0***POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING****INSIDENODE=11354OUTSIDENODE=10379LOADSTEP1SUBSTEP=1TIME=1.0000LOADCASE=0图2限元建模THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINGLOBALCOORDINATES.图3网格划分图4设计压力下不考虑法兰力矩的应力云图1.3.1载荷、边界条件及有限元应力分析【112】第32卷第10期2010-10(上)**M

7、EMBRANE**本例计算得f=0.5。SXSYSZSXYSYZSXZ所以原来含螺栓孔处材料折合成实体材料，-11.9559.39143.12.6760.0000.000材料的弹性模量折合为：S1S2S3SINTSEQV143.159.49-12.05155.1134.5继续刚才的ANSYS的分析，删除端筒横向剖**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDE分面上的轴向载荷以及端筒（不含筒体）纵向面C=CENTERO=OUTSIDEA1的网格，生成轴向长度为螺栓孔深度的一个新面A2（已对垫片凹槽进行简化），如

8、图5，这个新面已不含螺栓孔，材料的弹性模量折合为：1.3.2仅内压作用下的应力强度评定[3]根据JB4732-1995表6-2，常温下的设计应力强度。对于路径A-A应力强度评定如下：仅内压作用下，结构满足应力强度要求。图5生成新面A21.4内压和法兰力矩共同作用下的有限元分析模型内螺纹孔的