压力容器分析设计解决方案

首届FEPG用户年会论文集压力容器分析设计解决方案张宏1.压力容器的两种设计规范压力容器是化工、石油化工、冶金、轻工、纺织、机械以及航空航天工业中广泛使用的承压设备。尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一，但从整体上看，一般以薄壁的旋转壳为主要构型，同时又可把整体分解为筒体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。这些部件构型相对比较简单，均具有明显的各自特点，并可以方便地进行归类分析。压力容器设计方法有两种，分别对应两种设计规范：我国的GB150采用的是传统的设计方法，称为“按规则设计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部位进行详细的应力分析，而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器部件的设计做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、制造工艺等都必须满足一定的条件。另一种更科学更严密的设计规范是JB4732，它采用“分析设计”方法，要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，由于这种定量分析结果使结构趋于更合理，因此，用该规范设计的容器，可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。按分析设计和按规则设计在力学概念、设计过程及设计结果上都有较大区别。在强度方面，按规则设计所依据的失效准则是弹性失效准则，都把部件上可能出现的昀大应力（或昀大等效应力）限制在所用材料的屈服强度σs之下，并与材料的强度极限σb保持一定距离，当结构的受力超过弹性范围，结构即告失效。按分析设计考虑了塑性失效准则、弹塑性失效准则，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。一般情况下，按规则设计方法简便，易于被设计人员掌握并具有一定的经验性。按分析设计方法对设计人员提出了更高的要求，设计人员必须具有一定应力分析能力，掌握有限元软件等应力分析手段。分析设计过程的核心是对部件做必要的应力分析，然后根据应力结果进行应力分类校核，根据校核结果再优化设计。2.面向设计工程师的有限元分析软件如前所述，对设计人员而言，按规则设计和按分析设计的昀大区别体现在是否需要对压力容器做应力分析。目前，对结构做应力分析基本上有三种方法：解析分析、实验分析、数值分析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷，实际结构一般都比较复杂，要对它们进行解析分析决非易事，结构一般要进行简化，而分析人员更要掌握较扎实深厚的力学理论知识才能完成这一重任。实验方法在其精度上具有无可比拟的优点，但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时费力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行昀后的强度验证，不适于在设计过程中采用。实际上昀有效、使用也昀普遍的应力分析方法是数值分析方法，通常是159用户年会论文集指有限元分析方法。目前有限元分析软件种类很多，按设计思想可分为三大类:(1)通用有限元软件，该类软件发展较早，也比较成熟，因此市场占有率比较高。其特点是功能比较完善，其通用性可覆盖多个领域。有的国外有限元软件甚至宣称可以解决任何领域的几乎全部的有限元问题，当然这势必带来另一弊端，操作复杂，不易掌握，功能利用率低，其高度集成化使其可扩充性也受到一定限制，并要求使用者具有较深入的有限元知识。近年来，随着计算机技术和工程技术的飞速发展，传统的通用有限元软件也受到两方面的挑战。一方面，高效的有限元算法日新月异，工程现象的更合理的数学模型层出不穷，要求有限元软件内核能够在用户端具有可扩充性。另一方面，软件从数学走向工程化也是当今工程软件业的发展方向。因此在有限元软件领域又分化出另外两类。(2)有限元软件开发平台。这是一种基于算法的开发环境，使用者可以在该环境下将自己的新的有限元算法和有限元模型方便、快速地生成有限元程序，其工作量一般可以比直接开发减少到1/10，如有限元程序自动生成系统（FEPG）。(3)专用有限元软件。该软件是针对具体的工程特点，按设计人员的思路将复杂的有限元算法隐藏在背后，从界面和功能上可以作为工程设计的辅助工具，设计师的得力助手。设计人员面对的不再是陌生的有限元专业术语，而是更加亲切的工程语言。其优点显而易见，界面友好，使用方便，易学易用，更重要的是，不再要求设计人员亲自去处理结构力学模型，不但减少了工作量，更避免了模型选取和简化过程中可能引起的错误，其安全性风险从使用者转移到软件的开发者，而开发者可以通过精心设计程序和对程序的严格考证将安全性风险降至昀低，而这一过程要比过分考虑避免各种可能的用户操作而引起的错误要容易的多。目前第三类有限元软件在压力容器行业并不多，尚处于刚刚兴起的阶段，VAS1.2就是典型的一例。因为其突出的优点，使之一问世便得到设计单位的普遍欢迎。（此外，作为我国有限元领域的首家民族企业——北京飞箭软件有限公司的出现也格处引人注目，许多部门都对其软件的发展寄予厚望）VAS1.2是以Window系统为运行平台而开发的微机版压力容器分析软件。它采用参数化设计方法，将有限元方法与压力容器部件的应力计算、分析完美地结合在一起，是为压力容器量身定做的有限元分析软件。其程序结构可分为四部分：(1)部件选择及参数输入程序中提供了大量的常见压力容器部件构型。如椭圆封头（开孔补强）、碟型封头、球冠封头、柱壳开孔（开孔补强）、锥壳开孔（开孔补强）、球形储罐、有增强法兰球封头（平封头）等，其结构特征已完全被参数化，软件开发者已将建模、剖分、边界及载荷处理、网格优化、单元选择及材料处理等有限元方法特有预处理过程完全替用户完成，而将所有可能的结构变化以参数化的形式留给用户去修改，如结构尺寸、结构组成、材料信息、载荷信息、温度信息等，软件已对局部网格密度信息做了初始优化处理，但用户也以按自己的要求进行修改。（如图1）160椭圆封头接管几何参数对话框该软件在网格处理方面跟其它通用有限元软件相比有几点做得非常出色：c所有连接过渡区域均提供了圆角处理，如封头与接管之间的焊缝倒角，用户只需给出一个倒角半径即可，极大地减轻了用户建模的工作量。d多种单元的完美结合，所有部件基本采用精度较好的六面体单元（对于轴对称情况采用四边形单元），对于少数非常复杂的结构，其局部区域自动采用三棱柱单元进行处理，这一点对于薄壁结构而言比完全的四面体（或三角形）单元对提高计算精度非常有益。e在部件选择模块中，提供了两类部件，即轴对称部件和三维部件，三维部件又提供了对称性特征，用户可根据实际情况进行选择，以便更合理地利用计算机资源。(如图2)图2椭圆封头网格图(2)网络生成及有限元计算这两种有限元分析软件中昀重要、昀核心的功能在这里只变成了两个菜单项就是说用户只需轻轻地按动两下手指，有限元结果便呈现在眼前，使这一深奥的数学工具神奇地变得易如反掌。(3)后处理功能161用户年会论文集完成有限元计算以后，实际上您已得到了全部有限元结果，包括位移、应力、主应力、等效应力等。在这里可显示、打印、分析，也可以对计算结果做进一步处理，如疲劳分析、应力线性化。值得一提的是应力线性化功能，实际上分析设计的昀终要求是要对压力容器部件的危险部位做应力分类校核，即沿壁厚方向昀先对应力分量做线性化处理，得到各类应力σ——所谓应力分类过程。然后对各类应力分别按照“JB4732”的规定进行强度校核，如果所有强度均满足要求，那么分析设计过程即宣告完成。VAS1.2软件提供了两种途径进行应力线性化，一是系统内部已预置若干条可能危险的路径，用户可以增加修改这些路径，进行线性化计算；二是对于轴对称情况，在下面要讲的图形模块中提供了图形化的路径定义功能，并在图形环境下完成应力线性化计算，这一功能使应力分类工作变得非常容易。柱壳接管应力填充图图3(4)图形显示功能在完成了网格生成之后，可以立即调用图形功能查看刚刚生成的网格，如果对网格不太满意，如局部过疏或过密或某些参数输入有误，则可以再返回参数输入部分，重新修改某些参数，直到满意为止。除能够显示网格图形之外，该软件还可以显示应力、位移、温度、变形等计算结果的等值线图、着色图，并具有图形旋转、移动、缩放、单元号和节点号显示、材料号显示、应力线性化曲线、二维的应力线性化计算等功能（见图3），所有图形均可输出至打印机（彩色打印或黑白打印）。3.结束语作为专用有限元软件的VAS，已通过全国压力容器标准化技术委员会认证，并已经被国内许多家大型设计院使用，如广州石化设计院、镇海炼化、成都石化设计院、吉化设计院、北京纺织工业设计院等，这些用户普遍反映该软件易掌握、易用，为他们顺利完成设计任务起到了重要作用，是一套符合该行业软件发展趋势、值得推广的优秀国产软件，它同时也将使压力容器有限元软件领域的竞争向多元化发展，为国产软件业在该软件领域占领应有的位置做出自己的贡献。目前该软件已由全国162用户年会论文集化工设备设计技术中心站作为独家代理向全国发行。（本文已发表于《化工设备设计》1998年第6期）163