二次应力的特点二次应力是一种总体结构不连续应力,它们的基本特征之一是局部性,这个区域的影响半径与Rt是同一量级;其二是自限性,局部屈服或较小畸变就能消除附加应力发生的条件。
基于ANSYS的椭圆形封头压力容器力学综合分析ANSYS软件是一种求解复杂工程结构的非常有效的分析软件,是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统,以取代原有的工程系统。由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式,然后将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组,加入边界条件、约束条件和外力负载后即可对方程组求解,得到该有限元系统的解答,并通过节点、单元表现出来。
在众多的CAE软件中,ANSYS是目前国际上最流行的有限元分析(FEA)软件,它是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件,是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院17个部委推广使用<8>。
由于结构满足对称性,所以可以只选取对称轴一侧进行分析,建立如的有限元模型,圆柱壳内径R=200mm,椭圆封头与圆柱壳为等厚连接,厚度t=6mm,椭圆形封头为标准椭圆形封头。选择单元类型为Quad8node82,设置材料属性令EX=2×105,PRXY=0.3.为提高计算结果的精度,进行网格划分以后,再选择3倍放大对网格进一步细化。施加均匀压力载荷P=1.0MPa进行求解。结果显示,可以得到的变形图(其中虚线表示变形前的边框)。提取数据,可以得到以椭圆壳顶点为坐标零点沿着椭圆形封头与筒体外表面的综合应力分布曲线。
在分析边缘区的应力集中状态时,可以用应力集中系数K来描述。一般把K定义为综合周向应力或综合经向应力与筒体一次周向应力之比,即:周向应力集中系数KΗ=ΡΗΡΗ,s;经向应力集中系数KΥ=ΡΥΡΗ,s。按上述定义,可将封头和筒体任一点的应力状态用应力集中系数K来表示。边缘区的应力集中越大则K值越大。由于不连续应力有局部性,故曲线趋于平坦的部分显示的就是一次应力的值,即ΡΗ,s=33.33MPa.因此,根据便可以得到周向应力集中系数和经向应力集中系数分布。
结论通过应用ANSYS有限元法对椭圆形封头与圆柱壳相连的压力容器进行综合应力分析,得出以下结论:(1)采用有力矩理论对椭圆形与圆柱壳相连的压力容器进行综合应力分析时,解析解公式复杂,只能求解特殊点的综合应力。而ANSYS有限元法方便快捷,并且可以模拟各点的应力状况。
(2)对于椭圆形封头,最大的薄膜应力为经向应力ΡΥ=35.311MPa,位于壳体顶点不远处。传统的压力容器的设计依据为薄膜应力的理论值,即:椭圆形封头的计算厚度取为与其连接的圆筒计算厚度的K倍,对于标准椭圆形封头,K=1.笔者认为这是不对的,应以ΡΥ=35.311MPa为基准进行设计。
(3)最大综合应力为周向应力ΡΗmax=36MPa,且不是位于封头与筒体连接处,位于筒体上距连接处50mm处。
(4)最大的应力集中系数为KΗ=111,而在二次应力作用范围内,应力集中系数绝大部分小于1.即二次应力不但没有使边缘处的应力恶化,反而对其有一定程度的改善。