压力容器ansys分析.

第４０卷第９期　２０１　１年９月　当　代　化　工　Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２０１　ｌ　

基于ＡＮＳＹＳ的压力容器表面　

双凹坑干涉效应分析　

高　宇，王茂廷，林国庆，海　军　

（辽宁石油化工大学机械工学院，辽宁抚顺１１３００１）　

摘　要：针对含有凹坑的压力容器强度降低这一问题展开分析计算，利用有限元ＡＮＳＹＳ软件计算其最大　应力，并分析双凹坑间的应力集中干涉效应对压力容器的影响。通过对数据的分析可知沿环向排列的双凹坑当　两凹坑相交时，应力集中系数小于单个凹坑应力集中系数，对于安全有利。轴向排列的双凹坑当两凹坑相交时，　应力集中系数大于单个凹坑应力集中系数。所以轴向排列的双凹坑更危险。　关键词：凹坑；压力容器；有限元；干涉效应　中图分类号：ＴＯ　０５１．３　文献标识码：　Ａ　文章编号：　１６７１—０４６０（２０１　１）０９—０９７５—０３　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｏｕｂｔ－Ｐｉｔ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　

．ＧＡＯＹｕ，ＷＡＮＧＭａｏ—ｔｉｎｇ，ＬＩＮＧｕｏ—ｑｉｎｇ，ＨＡＩＪｕｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｓｈｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｆｕｓｈｕｎ　１　１　３００　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｈａｔ　ｐｉｔｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ．ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　ｐｉｔｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｐｉｔｓ　ａｒｒａｎｇｅ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｒｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｅｎ　ｔｗｏ　ｐｉｔｓ　ｃｒｏｓｓ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅ，ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｔｏ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌｓ．Ｂｕｔ　ｄｏｕｂｌｅ　ｐｉｔｓ　ａｒｒａｎｇｅ　ａｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｐｉｔｓ　ＣＲＯＳＳ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ　ｔｈａｎ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｘｉａｌ　ｄｏｕｂｌｅ　ｐｉｔｓ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｄａｎｇｅｒｏｕｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｉｔ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ；　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ；　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｅｆｒｅｃｔ　

ANSYS 压力容器应力分析中，列表应力名称问题

1. ** MEMBRANE ** 代表 PL?

2. ** BENDING ** 代表 PB?

3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表 PL+PB?

4. ** PEAK ** 代表 F?

5. ** TOTAL ** 代表？

注：

（因为 JB4732 中规定，判定各种应力许用极限的参数有

一次总体薄膜应力强度 SⅠ（由 Pm 算得）；一次局部薄膜应力强度 SⅡ（由 PL 算得）；

一次薄膜加一次弯曲应力强度 SⅢ（由 PL+PB 算得）；一次加二次应力强度 SⅣ( 由 PL+PB+Q 算得 )；峰值应力强度 SⅤ( 由 PL+PB+Q+F 算得 )

Pm 是一次总体薄膜应力，

PL 是一次局部薄膜应力；

PB 是一次弯曲应力；

Q 是二次应力；

F 是峰值应力）

Pm 是一次总体薄膜应力，

PL 是一次局部薄膜应力；

PB 是一次弯曲应力；

Q 是二次应力；

F 是峰值应力）

1. ** MEMBRANE ** 代表 PL?

2. ** BENDING ** 代表 PB?

3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表 PL+PB?

4. ** PEAK ** 代表 F?

5. ** TOTAL ** 代表？

ANSYS 后处理应力线性化得到的结果中：

** MEMBRANE ** 代表薄膜应力， 可能是一次总体薄膜应力也可能是一次局部薄膜应力。

** BENDING ** 代表弯曲应力， 可能是一次弯曲应力也可能属于二次应力。

** MEMBRANE PLUS BENDING ** 根据前 2 者可能是一次薄膜 + 一次弯曲（ 1.5kSm ），也可能是一次 + 二次应力（ 3 kSm ）

ANSYS 只能把应力根据平均应力、线性化应力和非线性化应力来区

基于 ANSYS的典型压力容器应力分析设计

2010 年第 3 期（总第 136 期）

业东，农 琪（广西工业职业技术学院，广西 530001 ）

【摘 要】 研究从工程实践应用需求出发， 采用 ANASYS9.0有限元软件对容器进行详细的应力分析

计算，对不同类别的应力进行分类和强度评定。应力强度满足分析设计标准，确保了容器的安全可靠性。

【关键词 】 应力；强度；压力容器；分析设计；有限元

1 研究的目的和意义

过去，压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法 , 以弹性失效准则为基础， 材料的许用应力采用较

大的安全系数来保证， 一般情况常规设计仅考虑容器壁厚中均匀分布的薄膜应力， 不考虑其他类型的应力，如局部高应力和边缘应力均不考虑等 , 常规设计不讨论由此而产生的多种失效形式。

分析设计以塑性失效和弹塑性失效准则为基础，并引入安全寿命的概念，对具有循环加载特征的部件进行疲劳分析。比较详细地计算了容器和承压部件的各种应力，对应力进行分类，再采用不同的应力强度条件给予限制 [1] 。

本课题研究的目的是对石油化工生产中广泛使用的典型压力容器进行应力分析，应用 ANSYS软件编写

参数化设计程序，对典型压力容器中的筒体、椭圆形封头、锥形封头，开设人孔、接管等进行应力分析，为压力容器的分析设计提供一种比较通用的设计方法。

2 钢制压力容器设计的两种规

GB 150－ 1998《钢制压力容器》是以弹性失效准则为理论基础，导出较为简单的适合于工程应用的计

算公式，求出容器在载荷作用下的最大主应力，将其限制在许用应力值以，即可确定容器的壁厚。在标准

所规定的适用围，按标准要求所设计、制造的容器是安全可靠的。

JB 4732－ 1995《钢制压力容器——分析设计标准》是以弹塑性失效准则为理论基础，应用极限分析和

安定性原理，允许容器材料局部屈服，采用最大剪应力理论，以主应力差的最大值作为容器发生垮塌和破坏的依据。标准要求对容器所需部位的应力作详细计算，并进行强度评定和疲劳分析。

317 科学管理2024年第4期

压力容器是一种能够承受压力的密闭容器，

广泛应用于煤化工生产领域。煤化工生产作业环

境苛刻，需要其外壳具备较高的强度，保护内部

电子元器件不被损坏。为验证压力容器的耐压性

能，需根据其工作条件设计压力容器，将机器人

安装在压力容器内部，对压力容器进行加压以模

拟其高压工作环境，检测外壳的耐压性能是否符

合要求。本文基于国标 GB150-2011中关于压力

容器的规定，完成压力容器的各项参数的计算取

值。利用 ANSYS 有限元仿真软件对其进行校核，

对该压力容器工作状态下的应力及变形情况进行

分析，判断其结构强度及 O 形圈的密封效果是否

符合要求[1]。

1 压力容器参数化设计 

对实际工况进行分析，根据要求完成压力容器的初步设计，结构如图 1 所示。

图1 压力容器三维模型

该压力容器主要由两部分组成：压力舱和

平盖，两个部件通过螺栓连接，平盖挤压压力舱

端面上的 O 形圈完成密封。由于采用水作为介

质进行加压维持压力舱内压力处于预定值，压力

容器需经常浸泡在水环境中，容易腐蚀生锈，会

对密封结构造成破坏，且存在安全隐患，因此采

用不锈钢完成该压力容器的设计和制造。平盖所

承受的应力较大，工作时容易产生较大变形导致

O 形圈密封失效，因此平盖需采用高强度不锈钢

材料。20Cr13是一种常用的高强度马氏体不锈钢

材料，具有高抗蚀性、高强度、高韧性和较强抗

氧化性，被广泛应用于制造各种承受高应力的零

件。基于20Cr13的优良性能，选用该材料用于平

盖的设计和制造[2]。与平盖相比较，压力舱承受应力相对较小，选用 304 不锈钢用于压力舱的设计

和制造。基于国标 GB150-2011 关于压力容器的规

定，对压力容器各部分的参数进行计算如下：

（1）壳体厚度计算：

圆筒厚度计算公式如下：

[]ciicPD

−=φσδ2P

（1）

式中，σ为圆筒壳体计算厚度（mm）；pc为

计算压力（MPa）；Di为圆筒内直径（mm），[σ]i