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1、用有限元分析法计算压力容器的塑性崩溃负载摘要：本文提出了一种新的理论方法利用有限元分析(FEA)来计算在内压作用下压力容器的塑性崩溃负载，并与《锅炉压力容器标准》中的三个标准的规定进行比较。首先，利用有限元技术分析弧长算法和再分析来研究压力容器的塑性崩溃，包括容器材料和几何非线性。其次，对处于弹性极限的机械性压力容器，运用牛顿—拉富生算法进行分析，使用两倍的弹性—斜率切线交会法获得容器的极限压力并避免过度变形。最后，进行弹性应力分析，并且对压力容器的工作应以强度进行分类。对计算结果与由实验获得结果和其它
2、现有模型进行比较。这种方法为选择容器塑性崩溃的破换准则和计算提供参考。关键词：塑性崩溃载荷，压力容器，有限元分析（FEA），分析设计（DBA）介绍压力容器设计的目的是防止各种可能的失败和保证容器的正常运行。通过限制作用，几乎实现了压力容器的应力、应变与设计荷载值。在过度内部静压力作用下，容器经历塑性变形并最终崩溃。目前，一些防止容器设计塑性不稳定的国际准则已被提出，如ASME(2007)标准和EN13445-3(2002)标准。其中,ASME规范提出三个标准,以防止容器的塑性失稳：弹性应力分析的极限荷载
3、标准,分析准则和弹塑性方案(Nos.2006BAK04A02-02and2006BAK02B02-08)中国应力分析的准则并获得国家重点科技计划项目。在弹性应力分析中，计算应力被分为一次应力、二次应力和峰值应力，均受相关准则的限制。极限载荷分析采用塑性材料容器的小变形，但是没有发生塑性畸变。两倍的弹性—斜率切线交会法是在ASME(2007)标准和EN13445-3(2002)标准确定极限载荷的基础上提出的，并推导出应力—应变参数曲线。选择适合的变形参数不易，特别是当多个载荷作用于容器时。相比之下,弹塑性
4、应力分析,考虑到实际的物质和几何非线性的性质,可能会导致容器结构总塑性变形前的塑料崩溃。在这种情况下,容器的力学性能和承载能力比其它两种方法更实用。因此，探索一种容器塑性崩溃载荷计算方法是很重要的。弹塑性应力分析的一个重要的问题是在一个指定的安全系数下对容器进行设计计算。已被广泛地开展研究和提出许多方法，入塑形轮廓法(PaytenandLaw,1998)、塑性工作标准(Muscatetal.,2003)和极限应力法(Liuetal.,2004)。然而,圆切线交会法和两倍弹性斜率法导致的近似的结果，因为真
5、正的塑料不稳定的观点是不完整的没有达到上述计算和推导的应力-应变曲线。如果后者两种方法相结合可以捕捉到塑料崩溃点。许多研究人员(1910年;Faupel特纳高庆宇,1956年,克里斯托弗等;2002年,ASME,2007年)进行了理论推导，提出了圆筒形容器塑料崩溃载荷,但是不可能处理复杂的大规模容器的管口。本文提出一个理论方法利用弹塑性有限元分析(FEA)提出了一种计算塑料容器崩溃负荷,容器的材料和几何非线性性质被考虑在内。弧长算法(Wempner;Riks,1971年,1997年)和再分析常使用完整的
6、应力-应变关系，计算的结果与实验和其他现有模型进行了对比。有限元分析,三种破坏准则有限元建模下面集中于图1显示的一个容器的进行分析，在这一过程中，建立一个卡尔坐标。容器包括筒体、球形封头和两喷嘴a、b。其设计压力是18个兆帕。利用有限元软件AN-SYS-APDL进行有限元参数化。模型由三位网状结构构成。封头的当量应力以封头顶上的面孔喷嘴为代表。有限元网格模型如图2，其中包括18648节点和14289元素。位移边界条件(1)OZ=0在XY平面;(2)0Y=O在筒体的底面;(3)OX=O在任何一个节点,以消
7、除刚体位移的结构.材料16MnR被认为是各向同性和弹塑性。其力学性能都列在表1(Wangetal.,2000年)。弹塑性应力分析根据Remberg-Osgood强化模型、16MnR材料的组织和性能可表示为(Wangetal.,2000)（1）应变、应力和硬化指数分别为和n=9。在有限元预处理、真实的应力-应变曲线拟合后引入塑性变形的应力-应变在ANSYS-APDL软件中显示50离散点。材料的本构关系被显示在图3。内部压力作用下结构的可进行使用牛顿迭代算法进行弹塑性应力分析。然而,对于瞬间塑料崩溃的结构,
8、这种方法也不能进一步追踪荷载路径,因而无效，因为综合结构塑料崩溃构造的要点是单数,显示在图4。为解决这一问题，弧长算法,采用非线性post-necking路径和结构塑料崩溃的计算荷载,显示在图5。这种方法是最初Wempner(1971年)和Riks》(1979年)提出的，并由Ramm(1981年)和Crisfield(1983)进一步提出改进的方法。处理零、负切线不圆滑，弧长跟踪算法引入一个元素λ，λ介于-1与1之间。这一未知数λ改变了有限
