ANSYS软件在应力分析设计中的应用

栏目主持：崔滋恩　口彝曙光　引言　各自的作用机理和应力强度极限可参考相关文献。　在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器　部件设计所关心的是应力沿壁厚的分布规律及大　小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截　面。而基于弹性力学理论的有限元分析方｛击，是一　压力容器是化工、石油化工、机械、核工业、航　天、轻工、食品、制药等多种工业中广泛使用的承　压设备。目前，压力容器及其部件的设计可分为基　于弹性失效准则的“规则设计　（Ｄｅ￣－ｉ　ｂｙ　Ｒｕｌｅ）　和基于塑性失效准则的“分析设计　（Ｄｅｓｉｇｎ　ｂｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）。其中，分析设计法是工程与力学紧密结　台的产物，它不仅能解决压力容器常规设计所不能　解决的问题，而且代表了近代设计的先进水平　我　国分析设计规范是在美国ＡＳＭＥ锅炉及受压容器规　范第八卷第２分篇的基础上建立起来的，井于１９９５　年在全国开始实施　种对结构进行离散化后再求解的方法。即它计算出　来的是结构离散化后结点的应力值。为了获得所选　“校核线”上的应力分布规律及大小，就必须对结点　上的应力值进行后处理，即应力分类，目前，应力　分类的方法有多种。根据对所选“校核线”上的应　力进行分类，得出各类应力的值，若满足强度要求，　则所设计容器是安全的。　ＡＮＳＹＳ软件是融结构、热、流体、电磁、声　学于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用　于机械、交通、军工、电子、生物医学、水利、石　三．ＡＮ￥Ｙ￥软件的使用　ＡＮＳＹＳ软件与任何一个有限元软件一样，其　分析计算过程包括建立模型、施加载荷、求解计算　和数据后处理。限于篇幅，本文仅介绍在应力分析　设计中使用较多的线性化原理和热一结构耦台的操　作。ＡＮｓＹｓ软件求解分析过程的操作可参考　ＡＮＳＹＳ软件所附带的工作手册。　１．应力线性化分类　油化工、能源、航空航天等许多领域。３０年来，　ＡＮＳＹＳ软件不断吸取新的计算方法和计算技术，　随着交互方式的加入，简化了模型的生成和结果的　评价。特别是其强大的后处理功能，大大简化了设　计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分　析，减小了应力分析设计时间，缩短了设计周期。　本文介绍了ＡＮＳＹＳ软件中的应力线性化原理　应力线性化分类原理及计算公式可参考有关文　献，下面主要介绍在完成有限元分析计算后，如何　毛｜使用线性化原理得出所考虑“校核线”上的应力分　类值。　在ＡＮｓＹｓ软件的后处理器（Ｇ　ｅｎ　ｅ　ｒａｌ　Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）中，用户要查看结点或单元的计算　＿８　．８ｊ－ｃ３　和热一结构耦合计算方法在压力容器应力分析设计　中的应用和操作过程，井完成了一个立式贮罐的应　力分析设计，可供参考。　二，基于应力的设计过程　塑性理论指出，由弹性应力分析求得的各类名　义应力对结构破坏的危险性是不同的。根据等安全　褡度原则，危险性较小的应力可以比危险性较大的　应力取更高的许用应力强度值。同时，由板壳理论　结果，有三种方法可以实现：（１）用等值线（Ｃｏｎｔｏｕｒ　Ｐｌｏｔ）的方式（包括彩色云图或等值线）；（２）采用　向量方式（Ｖｅｃｔｏｒ　Ｐｌｏｔ）；（３）采用文本文件的方　式（可以显示或保存）。同时，该软件也可以用图示　或列表方式来显示用户所定义截面（ＡＮＳＹＳ称为　路径操作——Ｐａ也Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）上结点计算结果的　分布。线性化原理的操作主要应用在用户所定义的　或弹性力学求解出的应力，根据产生应力的原因和　导出应力的方法可分为三类共五种，即一次总体薄　膜应力（ｐｍ）、一次局部薄膜应力（ｐｒ）、一次弯曲　应力（ｐｈ）、二次应力（Ｑ）和峰值应力（Ｆ）。对其　截面上。其相应的操作命令流程，如图ｌ所示。　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌＩｃａｃＩ８ｊ－ｃ几　２．热一结构耦合　在应力计算中，应分别计算由外　载荷引起的机械应力和由温差引起的　囤１撮作流程国　热应力，原因是热应力全部属于自限　应力。　路径定义（ｄｅｆｉｎｅ　Ｐａｔｈ）的菜单，如图２所示。　用户可以通过单元的结点（Ｂｙ　Ｎｏｄｅｓ）、在当前工　作平面（Ｏｎ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｐｌａｎｅ）上指定的点和通过　点的实际坐标值（Ｂｙ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ）等三种方式来定　义路径。由于在应力分析设计中，所考虑的校核线　ＡＮＳＹｓ热分析基于能量守恒原理的热平衡方　程，用有限元计算各结点的温度，并导出其他热物　理参数。它包括稳态传热和瞬态传热分析。由于大　多数压力容器在运行过程中，其温度的变化相对稳　定，在计算其热应力时，只要利用稳态热分析即可。　其分析步骤包括：（１）前处理，建模；（２）施加载　般是在容器壁厚，若结构采用映射方式　（Ｍａｐｐｅｄ）划分单元，则离散单元比较规则，采用　单元结点方式定义路径既快又简单。若采用自由方　式（Ｆｒｅｅ）划分单元，某些地方的单元可能不规则，　则必须采用其他两种方式，但所得结果是通过对与　定义路径相近的结点或单元计算结果值进行外插值　而得到的，该结果可能存在一定的偏差。建议在应　力设计分析中，要尽力采用映射方式划分结构单　荷，求解计算，并将计算结果写入　．ｒｔｈ文件中：（３）　后处理，用彩色云图或等值线显示结构的温度分布。　ＡＮｓＹｓ提供三种热应力分析方法，即直接法　间接法和在结构应力分析中直接定义结点温度等。　由于结点的温度事先不知道，第三种方法不能使用。　根据上面的分析，可采用第二种方法即间接法进行　热应力计算。首先进行热分析，然后将求得的结点　温度作为体载荷施加在结构应力分析中。其操作步　骤为：（１）完成热分析；（２）重新进入前处理　（Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ），转换单元类型（Ｓｗｉｔｃｈ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｔｙｐｅ），设置结构分析中的材料属性；（３）施加结点　元，以保证所得结果的精确度。同时在定义路径时，　要给所定义的路径指定一个名称，不同的路径最好　采用不同的名称。该路径名在用户退出后处理器　后，将会自行取消。　温度载荷（Ｌｏａｄ　Ａｐｐｌｙ），读入热分析（Ｆｒｏｍ　墨■＿●，Ｍｏｂｓ　　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）的结果文件（·．ｒｔｈ），并设置参　Ｏｎ‰　ｉｎ口ＰＩ．　Ｌｏ￣ａｔ｜．ｎ　Ｐａｔｈ　ｇｒａｔｅ－　Ｄ■ｆｉｎ●ｄ　ｐ－ｔ　考温度（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｅｍｐ．），完成计算（Ｓｏｌｖｅ）；（４）　后处理（Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．），显示结点的应力分　布，对校核线上的应力进行线性化处理，得到所要　的数据结果。热应力分析的流程．如图３所示。　Ｃｕｔｒ●ｎｔ　１０■ｔ　目ｚ定义路径的幕革　在定义路径后，退出路径定义菜单，回到路径　操作（Ｐａｔｈ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）菜单下，选择Ｒｅｃａｌｌ　Ｐａｔｈ　项，将出现一个对话框，用户可以在该对话框中指　定要对哪个路径进行操作。在确定好路径（或校核　线）后，就可以对该路径上结点的计算结果进行线　性化处理了。　采用图示方式（Ｌｉｎｅａｒｉｚｅｄ　Ｓｔｒｓ），每次只能显　示一个应力分量的线性化结果。通过图示方式，用　户可以看到某“校核线　上每个应力分量在线性化　后，其应力分类包括薄膜应力（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）、薄膜应　力＋弯曲应力（Ｍｅｍｂｒａｎｅ＋Ｂｅｎｄ）和总应力　（Ｔｏｔａ１），其大小和分布规律参见图６。在列表方式　下，用户可以在一个文本编辑窗口看到当前指定路　径上的６个应力分量和３个主应力的线性化应力分　田５热应力分析流程囤　四　实例分析　图４所示的是某企业设计的￣７００立式贮罐，其　中，手孔的直径为　８８，材料为ＳＡ６６２Ｇｒ．ｃ，设　计压力为１　３．５ＭＰａ，工作压力为１２．３ＭＰａ，弹性　类结果。并允许用户用文本文件的方式保存。　维普资讯 http://www.cqvip.com

模量为２０１ＧＰａ，泊松比为０．３，热膨胀系数为　１．００９８　ｘ　１０一，导热系数为４１．５３７７６　／（ｍ．℃），　壳内温度为５０＂Ｃ，对流系数为１４．９７９６　／（ｍ－℃），　壳外温度为一１．１℃，对流系数为５．８４６４　／（ｍ－　℃），许用应力为１６１ＭＰａ，对该容器进行应力分析　设计。　利用ＡＮＳＹＳ的热一结构耦台原理对贮罐进　行热应力分析。按照上述的计算步骤完成热分析　后，可得到结构离散化后结点的温度等值线分　布，如图７所示。接下来可进行热应力分析。在　完成热应力分析后，就可以对校核线上结点的计　算结果，利用线性化原理完成其应力分类。表２　为Ａ—Ａ校核线在工作压力下的应力与热应力的　计算结果。　对于贮罐侧面节管的评定，可采用ＡＮＳＹＳ的　由于篇幅有限，本文仅考虑对贮罐上半部，即　手孔一封头一简体进行分析设计。根据其结拇隋　况，上端结构的分析模型和在壁厚方向的　校核　线”，如图５所示。对图５模型共划分了２７３个８结　点等参单元和９２４个结点。在完成有限元分析计算，　所得计算结果满足给定的精度要求后，应用　ＡＮＳＹＳ的线性化原理，分别在工作压力和设计压　力状态下对校核线上的应力进行分类，其分类结果　三维有限元分析，其分析过程与应力线性化分类相　似。也可　参考ＷＲＣ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　Ｎｏ．１０７的方法　来进行。限于篇幅，这里不再叙述。　如表ｌ所示。利用线性化原理对Ａ—Ａ校核线在设　计载荷作用下应力分量进行应力分类，分类后应力　的大小分布规律如图６所示。　囤７蛄构温度等值巍＝争布曲戴　表２外或荷应力与热应力的计算蛄果　田４主式贮罐　围５贮罐和端蛄构＝争析模型　应力评定　＋　＋口　应力分量　ｌ　ｌ　　ｌ工作载荷　·１２．７３　Ｊ　４２　ｌ　２９　５６　ｌ　２１．７１　温度戴荷　０．０００　ｌ　０．３３０　１．ｏ８７　ｌ－０．￣４　应力总和　·１２．７３０『．７７Ｊ２９０ｌ　２８．８７３　ｌ　２１皿６　主应力　ｑ　Ｉ　ｌ　２８．８７３　ｌ＿６０９｝－８３．７３　应力强度　ｌｌ２．６　ｌ　§　ｌ　§　田６　Ａ－Ａ枝捕巍上的应力分布规律　袁１各枝柱蠛上应力＝争类结果　五　日１１　∞　１１９，　１５４．８　１ｍ　１５０Ａ　２Ⅲ　１ＩＡ６　五、结束语　随着计算机技术的发展，现代设计方法和手段　都在不断的更新，利用应力分析完成压力容器的设　计，只是其中的—个缩影。希望本文对从事压力容　器设计和制造的企业有所帮助。　ｌ　＋昂＋０　１１２．￣０　丌－　１６０￣５　３０１１４　２４５　５５　１盥　¨２ｍ　ｌ姐　ｌ　１７￣ｘ８　１柱１　１３７．￣　ｌ３４　１０８Ｉ　１１３　Ｓ　１２７３　Ｉ　Ｄ　ｌ　１４ａＡ９