ANSYS在低温压力容器应力分析与优化设计中的应用

本期头条FocusCryo.&Supercond.Vo.l35󰀁No.6

ANSYS在低温压力容器应力分析与优化设计中的应用

丁昌,汪荣顺

(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240)

摘要:介绍了大型有限元软件ANSYS在低温压力容器典型应力分析(不连续区局部应力分析、热应力分析、接触应力分析、复合材料应力分析)与优化设计中的应用,论证了ANSYS作为低温压力容器应力分析与优化设计有效手段的实用性和可靠性,为低温压力容器的应力分析和优化设计找到了一条新途径。

关键词:ANSYS;低温压力容器;应力分析;优化设计

ApplicationofANSYSinstressanalysisandoptimizationdesignofcryogenicpressurevessls

DingChang,WangRongshun

(InstituteofRefrigerationandCryogenics,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

Abstract:ThispaperpresentstheapplicationoflargefiniteelementsoftwareANSYSintypicalstressanalysis(localstressanalysisofdiscontinousareas、thermalstressanalysis、contactstressanalysis、compositematerialsstressanalysis)andoptimizationdesignofcryogenicpressurevessels.Asaneffectivemethodtoperformestressanalysisandoptimizationdesignofcryogenicpressurevessels,thepracticabilityandreliabilityofANSYSaredemonstrated.Anewapproachisfoundforstressanalysisandoptimizationdesignofcryogenicpressurevessels,

Keywords:ANSYS,Cryogenicpressurevesse,lStressanalysis,Optimizationdesign

1󰀁概述

压力容器广泛应用于航空航天、机械动力、石油化

工等领域。现代工业的深入发展对压力容器的设计制造提出了更加严格的要求。作为压力容器的一个重要分支,低温压力容器不但具有常规压力容器的共性,而且具有自身的独特性,这为低温压力容器的设计和分析提出了更为严格的要求。以往,压力容器的设计主要是采用基于弹性失效准则的规则设计(DBF),该种设计方法虽然简单易行,却忽略了压力容器应力的不同性质和对结构失效的影响程度,使得设计出来的容器粗大笨重,不符合压力容器设计经济性要求。以弹塑性失效为基础的分析设计(DBA)为压力容器的合理设计提供了一种新的方法。然而,由于一些非标容器的结构复杂性及设计理论的不完善,分析设计仍然没有得到广泛应用。只是近年来随着数值方法尤其是有限元方法的不断发展和完善以及优秀大型有限元程序的推广应用,分析设计才体现出其自身在工业中的价值。本文介绍了大型有限元程序ANSYS在低温压力容器应力分析与设计中的应用,分析了ANSYS用于低温压力容器设计和分析的有效性,为低温压力容器设计的成熟和完善提供了理论依据和技术支持。

2󰀁ANSYS技术简介

ANSYS是融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。自1970年JohnSwanson开发ANSYS以来,ANSYS便以其强大的前后处理功能受到许多科研工作者和工程师们的青睐。尤其是在结构分析方面,ANSYS不仅提供了线性计算,还包含了如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析的非线性计算技术。由于其在结构分析中的先进性和准确性,ANSYS一直是做结构分析时的首选。

ANSYS软件是第一个通过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)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广应用,成为了压力容器分析设计事实上的标准。

3󰀁基于ANSYS的低温压力容器应力分析

对低温压力容器进行应力分析可以得到容器各部件的应力分布状况,确定在工作载荷下的危险截面,进

收稿日期:2007-07-23

作者简介:丁昌(1981-),男,在读博士,研究方向:低温压力容器稳定性与热应力。

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

本期头条󰀁󰀁Focus󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第6期

理很复杂,影响因素很多,很难通过理论分析来确定元件的温度场。以往,一般通过实验测定元件某些点的温度,然后用近似函数来描述元件的整个温度场,在此基础上得到的热应力数值与实际值有着较大的偏差。基于有限元的ANSYS程序是依据耦合场的思想来解决热应力问题的,直接法和间接法是两种常用的方法。直接法是直接采用具有温度和位移自由度的耦合单元,同时得到热分析和结构应力分析的结果;间接法则是先进行热分析,然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。宋晓江等运用ANSYS中热应力分析的间接方法对焦炭塔进行了全面的温度场分析和热应力分析,从而验证了ANSYS在结构热应力分析中的有效性。对于运作在高温领域和低温领域的压力容器而言,热应力的影响是不容忽视的,在某些条件下甚至是压力容器失效的主要因素。然而由于这方面理论分析的不成熟和实验手段的限制,运用以AN󰀁SYS为代表的有限元程序来解决此类问题将是个切实可行的方法。3.3󰀁接触应力分析

[3]

而反过来指导设计过程。基于ANSYS的应力分析可以通过其后处理器中的表格、云图查看等功能显示低温压力容器整体和局部的应力分布,具有简明直观的

特点。

3.1󰀁不连续区局部应力分析

由于工程需要,设计的压力容器总是存在不连续的区域。不连续区通常分为两大类:总体结构不连续区和局部结构不连续区。总体结构不连续是指几何形状或材料的不连续,使结构在较大范围内的应力或应变发生变化,对结构总的应力分布与变形产生显著影响。例如封头与壳体连接,法兰与壳体(或管子)连接区,接管区,不同直径,不同厚度或不同材料的连接处等。局部结构不连续是指仅使结构在很小范围内的应力或应变发生变化,对结构总的应力分布与变形无显著影响的不连续。例如小的过渡圆角处、壳体与小附件连接处、未全熔透的焊缝等。在载荷作用下,不连续区由于变形不协调而产生了附加的弯矩,导致这些区域的应力远大于其它部位的应力,使得这些区域极易成为压力容器失效的起源。考察不连续区的应力具有十分重要的意义。然而,无论是对于总体结构不连续区还是局部结构不连续区,确定其理论解都需要联立该处的力平衡方程和变形协调方程来计算,具有相当的难度。而且不连续区结构上的复杂性也给运用实验手段来测量应力带来困难。有限元的发展为解决这类问题提供了有力的工具。在忽略计算误差的情况下,ANSYS计算结构应力有着较高的精度。国内外的许多研究者已经运用ANSYS对不连续区的应力状况进行了广泛的研究3.2󰀁热应力分析

[1-2]

图1󰀁ANSYS中的点-点接触单元Fig.1󰀁Point-pointcontactelementinANSYS

,取得了较为满意的结果。

在压力容器的受压元件中,除了承受由载荷(压力、外载)产生的机械应力外,由于在运行过程中元件的温度场发生变化,还将承受热应力的作用。产生热应力的原因主要是温度变化产生的热膨胀受到了限制。受压元件的热应力按温度场的变化情况不同一般可分为两种基本类型:稳态热应力和非稳态热应力。热应力在有些领域是相当普遍的,例如在低温行业,在对低温气瓶或低温储槽加注液体时,由于大温差的存在会在筒壁产生瞬时热应力,如果在短时间内大量加注,所产生的热应力会更高,这对低温容器的使用是极为不利的。

分析计算热应力的关键首先是确定元件的温度场。对于稳态热应力,温度场不随时间而变化,确定元件的温度场较为容易,故能比较确切地计算出热应力的数值。但对于非稳态情况,元件内部介质的传热机图3󰀁ANSYS中的面-面接触单元Fig.3󰀁Surface-surfacecontactelementinANSYS图2󰀁ANSYS中的点-面接触单元Fig.2󰀁Point-surfacecontactelementinANSYS

第6期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

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接触问题与接触面的状况,材料的特性有关,具有高度的非线性,一直是力学研究中的难点。但接触问题在压力容器中却是不可回避的,法兰与螺栓的连接、补强圈与筒体之间的连接等都属于接触问题,在卧式低温储槽和槽车中内外筒之间一般会采用玻璃钢管支撑,在储槽和槽车运输或运行过程中,玻璃钢管与内筒的接触状态随时间变化,这是接触问题的典型。在对压力容器设计和应力计算时,往往对接触的部分进行了简化,这和实际情况是不相符的。为了分析接触问题的实际状况和应力,ANSYS开发了接触单元:点-点接触单元(图1)、点-面接触单元(图2)、面-面接触单元(图3)。

这三种接触单元几乎涵盖了压力容器中的所有接触问题,对于模拟压力容器中接触区域的变形,准确预

[4]

测接触区的应力状态是很有帮助的。文献采用AN󰀁SYS中的面-面接触单元对补强圈与容器壳体间的接触行为进行了详细的分析计算并与实验结果作了比

[5]

较,文献通过采用接触单元对齿啮式快开压力容器的齿啮合部位的应力分析,首次将接触问题引入到齿啮式压力容器的有限元分析中,为解决压力容器中的接触问题提供了行之有效的方法,也为分析类似压力容器的强度开辟了一条新的途径。3.4󰀁复合材料压力容器的应力分析

随着国防军工和航空航天的迅速发展,现有的压力容器已不能满足需要。许多应用于压力容器的新型材料开始涌现出来,复合材料便是这其中重要的一支。复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等特点,因此成为当代航天系统上应用越来越多的重要材料。但复合材料具有强烈的各向异性和非均质的特点,材料的力学性能比较复杂,而且结构在成型过程中有组份材料的物理和化学变化发生。目前,对于复合材料压力容器的应力分析还没有一套简单实用的公式可以套用。有限元已被研究者们引入到此类问题的研究中来

[7-8]

[6]

中具有重要的意义。优化问题的基本原理是通过建立优化模型,运用各种优化方法,在满足设计要求的条件下,求得目标函数的极值,得到最优的设计方案。也就是在设计变量X的区域内,在满足约束条件Ca和Cb的情况下,求取目标函数F(x)的极值问题。其数学模型可描述为如下形式:

minF(x)=F(x1,x2,󰀁,xn)

Ca=Ca(x1,x2,󰀁,xn)󰀁0󰀁󰀁(a=1,2,󰀁,m)Cb=Cb(x1,x2,󰀁,xn)=0󰀁󰀁(b=1,2,󰀁,n)X=[x1,x2,󰀁,xn]

ANSYS的参数化设计语言为压力容器的优化设计提供了极大的便利,压力容器的壁厚、重量、体积、构件的相对尺寸、过渡转角等都可以成为优化的对象。为了解决大部分的优化问题,ANSYS程序提供了两种优化方法,零阶方法(子问题近似法)和一阶方法。无论对于哪一种方法,程序都要执行一系列󰀁分析-评估-修正󰀁的循环。也就是首先对初始设计进行分析,然后根据指定的设计准则对结果进行评估,如果有必要就对设计进行修正,重复以上的过程直到满足指定的准则为止。ANSYS优化分析的数据流程可用图4来表示。

T

图4󰀁ANSYS优化过程数据流Fig.4󰀁OptimizationdataflowinANSYS

,并取得了良好的效果。

ANSYS的强大功能有助于新材料的研究与开发,

对于辅助分析复合材料的力学性能有一定的作用,可以促进复合材料压力容器的进一步发展和推广。

根据上图提供的数据流,ANSYS的优化过程大致可分以下几步:(1)建立分析文件;(2)建立优化参数;(3)进入优化选项并指定分析文件;(4)声明优化变量(指定设计变量、状态变量和目标函数);(5)选择优化工具;(6)指定优化循环控制;(7)执行优化分析;(8)查看优化结果

ANSYS的优化分析技术在结构设计中已经得到广泛应用

[9-11]

4󰀁ANSYS在低温压力容器优化设计中

的应用

低温压力容器的设计不仅要满足强度要求,同时还需要满足经济性要求,这使得优化设计在压力容器

,在压力容器设计中的实用性和有效性

(下转第462页)

也得到了验证。文献[12]对500mm钛合金压力容器

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󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

低温技术󰀁󰀁Cryogenics󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第6期

14󰀁谢洁飞.动磁式直线压缩机理论与试验研究.杭州:浙江大学博士学位论文.

15󰀁陈楠,唐亚杰,徐烈,等.线性压缩机用动磁式直线电动机.上海交通大学学报,2007,3.

16󰀁陈楠,陈曦,等.圆渐开线涡旋柔性弹簧的制造方法.CN1751822A,2005.09.02.

17󰀁DeJongeSK,SerenyA.Analysisandoptimizationofaline󰀁

armotorforthecompressorofacryogenicrefrigerator.

18󰀁ShtrikmanS,UrieliI.Linearmovingmagnetmotor/generator

forStirlingengines.

19󰀁马一太,杨俊兰,等.直线式压缩机的配置及其性能分析.压缩机技,2004.3:4-6.

20󰀁BrownMT,RussoSC.Computerprogramforanalysisofsplit

-Stirling-cyclecryogeniccoolers.

21󰀁WakelandRS.Useofelectrodynamicdriversinthermoacous󰀁

ticrefrigerators.TheJournaloftheAcousticalSocietyofAmeri󰀁ca,2000,107(2):827~832.

5󰀁U.S.P(4644851).Cryocompressorwithaself-centeringpis󰀁

ton.

6󰀁王月兰.分置式自由活塞斯特林制冷机中的回热器--整机关系研究及动圈式直线电机研制.武汉:华中科技大学硕士论文,1989.

7󰀁黄声华,陶醒世,傅光洁.音圈电机的数学模型及仿真,1996,(S2):68-71.

8󰀁洪国同,郭方中,等.80K/0.25W星载斯特林制冷机试验样机研制.低温工程,1999.

9󰀁张宇.自由活塞式斯特林制冷机的压机设计、优化及其整体的匹配.武汉:华中科技大学硕士论文,1998.

10󰀁孙中章等.一种双活塞对置直线驱动斯特林制冷机的初步研究.低温工程,1999.

11󰀁纪国林,吴亦农,等.航天应用制冷系统.低温工程,1999.12󰀁叶利洪.直线压缩机研究,杭州:浙江大学硕士学位论文,2003.

13󰀁马振飞.冰箱用直线压缩机原理性样机的研制.杭州:浙江大学硕士学位论文.

(上接第457页)

进行了优化设计,在容器重量降低2%的基础上,应力集中也得到了改善,从而印证了ANSYS的优化技术在压力容器设计中的应用价值。

参考文献

1󰀁李蓉.椭圆封头与筒体连接处不连续应力分析.化工设计通讯,2006,32(2):28~31.

2󰀁SchindlerS,ZemanJL.Stressconcentrationfactorsofnozzle

-sphereconnections.InternationalJournalofPressureVesselsandPiping,2003,80:87~95.

3󰀁宋晓江,王春生,宣培传,等.焦炭塔温度场及热应力场的有限元计算.石油化工设备,2007,36(2):28~32.

4󰀁王辉,王晓东.补强圈与容器壳体间的接触行为.南京工业大学学报,2002,24(2):15~18.

5󰀁郑津洋,苏文献,徐平,等.基于整体有限元应力分析的齿啮式快开压力容器设计.压力容器,2003,20(7):20~24.6󰀁陈建良,童水光.复合材料在压力容器中的应用.压力容器,2001,18(6):47~50.

7󰀁佟丽莉,林再文,侯涤洋.纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化研究.玻璃钢/复合材料,2004,1:33~37.

8󰀁扬福全,张天平.复合材料气瓶有限元应力应变分析.AN󰀁SYS2006会议论文,2006.

9󰀁吉洪波.基于ANSYS的结构优化设计.中国水运(学术版),2006,6(8):135~136.

10󰀁余联庆,梅顺齐,杜利珍,等.ANSYS在结构优化设计中的应用.中国水运,2007,5(3):76~77.

11󰀁禹言芳,孟辉波.ANSYS在结构拓扑优化设计中的应用.化工装备技术,2007,28(1):56~58.

12󰀁李虎林,陈威,于安民.基于ANSYS参数化语言的压力容器优化设计.石油和化工设备,2006,4:19~22.

5󰀁结语

作为已有几十年历史的大型商用软件,基于有限

元技术的ANSYS尽管还有不完善的地方,但随着计算机硬件的发展和先进计算技术的出现,其应用价值必将得到进一步的体现。在压力容器领域,尤其是对于复杂结构的详细应力分析和强度校核,对于不断涌现的新材料和新产品的模拟分析,ANSYS将继续发挥着巨大的作用。

ANSYS将有限元方法和优化方法有机地结合起来,形成了专门的优化模块,充分发挥了有限元法计算的准确性和优化方法求极值的高效性。运用ANSYS优化技术进行压力容器设计摒弃了传统结构设计的被动校核方法,进而主动地在可行域内寻求最佳设计方案,很大程度上减少了设计成本和设计周期,使产品设计更为合理。

ANSYS良好的二次开发适应性在软件和研究人员之间架起了一座桥梁,为压力容器的工程设计和研究人员开发提供了一种快速、经济、可靠的技术手段。ANSYS分析可以与实验手段相辅相成,成为促进压力容器设计和分析理论不断完善的有力工具。