基于ANSYS的球形压力容器的结构强度可靠性分析 新型压力容器法兰密封结构的有限元接触分析

　　在化工生产中，许多设备由于特定工作环境所限，需要考虑高温、高压、腐蚀、污染、冲蚀等恶劣的工况条件，比如反应釜、加氢反应器等。因此对产品的安全性提出了更高的要求，而研宄其结构强度的可靠性也就具有重要的现实意义。球形压力容器是石油化工、国防、能源、纺织、制药等行业常用的特种设备，其可靠性是一个重要指标。目前，化工设备的设计有两种可选择的方法。一种是传统设计法：假设各设计变量为确定量，依据给定的安全系数进行设计。另一种是可靠性设计法：假设各设计变量为随机变量，依据可靠度和失效概率进行设计，称为概率设计。本文利用ANSYS概率分析功能建立了该结构的概率分析文件，从而完成了其可靠性分析。

　　1基于ANSYS的可靠性分析ANSYS软件提供的概率分析设计功能能够从有限元的角度，计算非确定性输入参数对结构性能的影响，或者确定有限元分析的某些计算结果不满足用户指定设计准则的概率，从而实现“可靠性”设计。同时，PDS自动计算分析结果对各个输入参数的敏感度，以此确定出影响产品性能的关键因素。

　　以ANSYS进行可靠性分析时，其过程由以下主要步骤组成：生成分析文件、可靠性分析阶段、结果后处理。ANSYS可靠性分析数据流向如所示。

　　理工程师。大2球形压力容器参数描述及有限元模型建立如所示，处于设计状态的球形压力容器，其材料的弹性模量为ZxioPa泊松比为0.1在其内壁承受均匀的内压，假设各项制造参数均服从正态分布（如表1所示），尺寸单位为。根据弹性力学理论，由于球形压力容器的对称性，可以把其模型简化为平面应力问题，而且可以只取一半进行计算，如所示。在ANSYS中计算的具体结构参数如表2所示。

　　表1随机输入变量的概率分布类型及参数变量名称变量符号分布类型参数1（均值）参数2（标准差）内径D正态分布壁厚t正态分布工作压力p正态分布屈服强度R正态分布表2结构参数参量参数说明材料的弹性模量材料的泊松比容器的内径均值容器的壁厚均值容器的内压均值罐体壁厚材料屈服极限均值初值极限状态3压力容器可靠度准则及计算方法的选择本文以球形压力容器的材料屈服极限、容器几何尺寸和载荷为随机变量，计算结构的可器在使用过程中不出现应力超过屈服的事件发生，如果应力超过屈服强度则认为失效。失效准则为：力，为材料的屈服强度。

　　=s-max贫（1）<0为失效状态，其中尤为上的所有不确定量组成的向量。本文中，求压力容器的可靠度就是求0的概率。

　　目前解决复杂结构可靠度问题的常用方法有蒙特卡洛法和面响应法。随着计算机性能的逐渐提高，蒙特卡洛法模拟已成为目前可靠度分析结果正确性验证的主要手段。采用此方法时，只要建模准确，模拟次数越多，精度就越高（当然花费的计算时间也越多）。本文采用的计算方法是蒙特卡洛法中的拉丁超立方法。

　　4结构可靠度分析可以直接从ANSYS概率分析结果中看出在置信度为95%的情况下，g（X）<0的概率为2.71265%，即说明容器的可靠度为97.287%.所示为g（X）在置信度95%的情形下的分布图。从中可以看出，大于0靠度。根据压力容器的强度理论1假设压力容nic遍分布在擂间n其概率分布e与直接提取的效应力增加，从而降低其强度可靠性。

　　Z（代表g（X））在置信度95%的情形下分布图我们可以对输出变量进行灵敏度分析，表3显示了变换随机参数进行结构强度可靠度对各参数的灵敏度分析结果。

　　表3可靠度的参数灵敏度分析结果输入参数可靠度灵敏度0根据表3给出的灵敏度分析结果，可以清楚地了解各参数对容器可靠度的影响。同时，观察表3中数据还可以看出：%s和，）的灵敏度均为负值，即容器的可靠度随着上述四个标准差的增大而降低。这是因为在上述四个参数均值不变的情况下，其标准差增大，导致参数的分散性增加，并以其均值中心向两边发散因此导致容器的可靠度降低。

　　的均值（D和/V）的灵敏度为负值，即容器的可靠度随着上述两个均值的增大而降低。这是因为容器的内径或内压增导致结构的等（3）容器的可靠度对材料屈服极限和壁厚的均值（卩M的灵敏度为正值。即容器的可靠度随着上述两个均值的增大而升高。这是因为材料屈服极限均值的增加，会提高屈服极限大于容器比较大等效应力的概率，从而导致容器可靠度的增高，而壁厚的增加会导致容器的整个应力水平降低，从而导致可靠度的增高。

　　5结语在化工装备结构设计中，由于大量未知因素及参数的变化，用传统的统计方法很难正确处理，而且分析本身就是一个非常复杂的过程。

　　利用面向对象程序设计技术，基于数值模拟方法编制APDL语言程序进行可靠性设计，将可靠度计算模块和ANSYS软件连接在一起，可以取得较好的分析效果。实践证明，APDL语言面向对象程序设计在解决结构可靠性分析问题中是有效的，是结构失效模式识别方法的一个重要组成部分，在科技发展的今天，其应用空间将得到进一步的拓展，利用有限元分析方法必将给化工装备结构设计带来新的发展，计算机辅助分析将是化工装备设计的未来发展方向。

　　本文对球形压力容器进行了可靠度分析，得出了其可靠度值和分布图，并进行了可靠度对有关随机参数的灵敏度分析，为球形压力容器的合理设计提供了科学依据。

新型压力容器法兰密封结构的有限元接触分析

　　新型压力容器法兰密封结构的有限元接触分析李，静刘敏珊董其伍郑州大学工学院热能工程研究中心下对压力弈德元愚进了了接，分析，糊，元分步，技术，了主腧预紧以及加压过程中主法兰的应力场和位移场情况，对主法兰密封面的变形状态进行了研究。分析结果从数值上证明了类形密封环具有良好的密封性能。

　　问的提出12随着石油化工等行业向高温高压和大型化方向发展，国内外许多单位和技术团体纷纷开展了金属垫片密封研究。在螺栓法兰连接中，垫片是影响连接密封性能的关键性元件，因此，垫片的力学性能和密封性能研究直是螺栓法兰连接研究中的重点3.为解决某厂反应釜密封泄漏问，郑州大学工学院热能工程研究中心研制了新型类。形密封环。该密封结构由20钢制成，与预紧螺栓组成密封结构实现面接触全自紧密封。该结构具有密封可靠，使用安全，装拆方便，加工简化等优点。适用于中高压塔反应釜换热器等压力容器端部的密封。

　　笔者在此对该结构的设计制造进行介绍，并给出力学解析分析。同时采用有限元法对类，蚊芊饣吩，预紧状态和设计压力状态下进行接触弹塑性分析利用有限元分步加载技术模拟主螺栓预紧以及加压过程中主法兰的应力场和位移场情况，对主法兰密封面的变形状态进行了研究，对结构的密封性能进行了评价。

　　压力容器的设计参数及密封原理压力各器的内半径50，1筒体壁厚如，主法兰外直径105，封头形式为椭圆，主法兰密封形式为类，形设计压力6.4，4工作压力6河，4设计温度200.0，密封环材料20钢，法兰材料16取法兰结构2，该压力容器为钢制压力容器，其顶盖法兰与筒体法兰用36根厘36的螺栓进行联接。

　　1封头2上法兰；3下法兰；4筒体压力容器的密封是由法兰面间的密封环的相互挤压实现的。若该处上下法兰间的错位量大于设计要求，则有可能造成类形环面或密封面受到损伤而导致密封失效。而新型的密封环材料采用普通的20钢，密封时有3个接触面，旦压力容器工作，其内压就将直接作用于环内腔。此时类，形环在内腔压力的作用下产生轴向的拉伸变形，产生较大的接触力，实现自紧密封。

　　新型压力容器密封环采用的是20钢类形密封环。密封设计的类形环压缩比为1脱，在此压缩比下类形环的预紧阶段压缩量为4，考虑在高温2000下伴随有蠕变的可能性，安全系数取为1.6在实际分析中类。形环允许的压缩量取有限元弹塑性接触分析压力容器有限元计算时采用维轴对称模型。

　　计算用的有限元分析软件是人，83软件。计算单元采用4节点轴对称边形单元。3为有限元计算网格模型。

　　在接触面应力集中区域网格进行加密。接触单元选择面面接触单元，该接触单元支持低阶和高阶单元，支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元不对称刚度阵的选项，允许有自然的或网格离散引起的面不连续。接触面上共布置74个均匀分布的接触点。单元总数1422个。当对网格再加密1倍试算后，计算结果相差在3以内，所以现在采用的网格划分密度能够满足计算精度的要求。对于结构和载荷的周向不对称，计算中将其处理成沿螺栓中心圆环上的均布面力151.

　　本模型分析以，8为准则，建立理想弹塑性模型。指定类。形环为接触体，计算中考虑由于相互接触而产生的接触应力和变形。在螺栓预生塑性变形的准确性，对接触面区域进行网格加密，以便准确显塑性区的扩展情况。螺栓加载计算过程分为50个增量步，将螺栓力逐步加到预定效果，便于观察密封环接触处在整个预紧过程中应力变形场以及错动量的变化。加压阶段采用个增量步来模拟压力容器内的加压过程。

　　在做面掘接触分析时，如果收敛速度很慢，适当调整参数巧和，0.计算过程中，法向接触刚度因子服为比较大的渗透范围町，取值5初始渗透的容许范围定义为接触分析结果与讨论1.预紧阶段反应釜在预紧时，采用位移加载。预紧结束后接触区的应力及变形云4，由4明显看出位移加载后密封环的变形情况，预紧结束后，这时出现整个过程中比较大的轴向应力，=844肘，4这是由于使用双线性各项同性选项，需要关心的是开始出现局部的塑性变形的点及屈服区域。

　　未变形轮廓相比，内缘相对错位量1.，1.在接触区比较大应力为469厘，4其压应力发生在上下法兰接触区单元。

　　2.加压阶段加压阶段结束整个筒体顶盖向外膨胀，其整体变形和接触区的局部变形5.与预紧相比法兰间隙增加20以1接触区分离点增多不明显。这说明类0形密封环的自紧密封效果很好，加压下内缘错位量有所改善，错位量减小到0.8 1同样错位量在允许的变化之内。这时比较大轴向应力，仍然很大，但已下降近404而环没有扩大。接触区压应力发生在上下法兰接触区单元，比较大应力为406厘，结果明，无论是预紧状态还是设计压力状态，新型类。形密封环都能满足密封要求。

　　功用于某厂反应釜上，取得较好效果。

　　1丁伯民，黄正林，高压容器化工设备设计全书。北京化学工业出版社，2003 3蔡仁良。国外压力容器及管道法兰设计技术研允进展。石油化工设备，2003，32134，37 4左卫东，于溯源，刘俊杰等。1高温气冷堆压力容器主法兰结构的有限元接触分析。核动力工程，20022结论通过对类形密封环有限元分析，得到了压力容器的主法兰结构在预紧状态和设计压力状态情况下的接触弹塑性结果，从数值上证明了类。形密封环具有良好的密封性能。目前，该密封环已成工程的研究。地址450002河南省郑州市。电话0371本文编辑刘峰，信息广角2005中国国际加油加气站高新技术及设备展览会将举办随着我国成品油零售和批发业务将陆续对外开放，日渐激烈的中外石油公司的竞争和国家环保标准的日益提高加快了中国加油加气站设备改造和技术升级的步伐，使加油加气站面临前所未有的挑战和机遇。为了加强行为交流，促进中国加油加气站技术与装备的快速发展，结合中国石油加油加气站的发展现状及新标识的推广，中国石油炼油与销售公司将于2005年月23，25日在中国国际展览中心举办2005中国国际加油加气站高新技术及设备展览会。

　　此次展会以安全环保和谐发展为主，旨在为行业提供个了解世界先进产品与技术加强国际交流与合作的机会。同时，结合中国石油加油加气站的发展，立足于解决技术难和满足科技进步需要，将会进步确立中国石油在加油加气站建设管理技术设备方面的领导地位，增强中国石油展会以产品技术展览展为主，内容涉及加油加气站咨询规划设计加油机成套设备以及相关配件；油气储运成套设配及相关配件，加气站成套设备以及相关配件；加油船设备以及相关设备；成品油以，配送车辆移动加油加气车设备以及相关配件；加油加气站检测维护保养技术与设备；油品调和装置与技术；油气回收设备与技术；油气清洁产品与设备；油气液位分析器；环保节能与安全管理技术与设备；加油加气站收费结算系统及自动化管理系统；汽车清洗维修与保养设备；加油加气站配套连锁便利店设备；加油加气站增值服务等。

　　据了解，展会期间还将举办2005中国国际加油加气站高新技术发展论坛加油加气站技术设备采购洽谈会以及新广品新技术发布会等。

　　此次展，由代，报扮神展集团北京华港展览有限公司神丽摩癌加

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