壓力容器分析設計解決方案

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壓力容器分析設計解決方案

1.壓力容器的兩種設計規范

    壓力容器是化工、石油化工、冶金、輕工、紡織、機械以及航空航天工業中廣泛使用的承壓設備。盡管各類壓力容器設備功能各異、結構復雜程度不一，但從整體上看，一般以薄壁的旋轉殼為主要構型，同時又可把整體分解為筒體、封頭、法蘭、開孔、接管、支座等部件。這些部件構型相對比較簡單，均具有明顯的各自特點，并可以方便地進行歸類分析。

壓力容器設計方法有兩種，分別對應兩種設計規范：我國的GB150采用的是傳統的設計方法，稱為“按規則設計”，它的基本思想是并不需要對壓力容器的各個部位進行詳細的應力分析，而是結合經典力學理論和經驗公式對壓力容器部件的設計做一些規定，如：選材、安全系數、特征尺寸、制造工藝等都必須滿足一定的條件。另一種更科學更嚴密的設計規范是JB4732，它采用“分析設計”方法，要求對壓力容器進行應力分析和疲勞分析，由于這種定量分析結果使結構趨于更合理，因此，用該規范設計的容器，可以達到較高的許用應力而并不削弱安全裕度。

按分析設計和按規則設計在力學概念、設計過程及設計結果上都有較大區別。在強度方面，按規則設計所依據的失效準則是彈性失效準則，都把部件上可能出現的最大應力（或最大等效應力）限制在所用材料的屈服強度σ[sub]s[/sub]之下，并與材料的強度極限σ[sub]b[/sub]保持一定距離，當結構的受力超過彈性范圍，結構即告失效。按分析設計考慮了塑性失效準則、彈塑性失效準則，并引入安全壽命的概念，對具有循環加載特征的部件進行疲勞分析。一般情況下，按規則設計方法簡便，易于被設計人員掌握并具有一定的經驗性。按分析設計方法對設計人員提出了更高的要求，設計人員必須具有一定應力分析能力，掌握有限元軟件等應力分析手段。分析設計過程的核心是對部件做必要的應力分析，然后根據應力結果進行應力分類校核，根據校核結果再優化設計。

2.面向設計工程師的有限元分析軟件

    如前所述，對設計人員而言，按規則設計和按分析設計的最大區別體現在是否需要對壓力容器做應力分析。目前，對結構做應力分析基本上有三種方法：解析分析、實驗分析、數值分析。解析分析方法需要在結構和結果精度之間尋求一個折衷，實際結構一般都比較復雜，要對它們進行解析分析決非易事，結構一般要進行簡化，而分析人員更要掌握較扎實深厚的力學理論知識才能完成這一重任。實驗方法在其精度上具有無可比擬的優點，但其缺點也是非常突出，費用高昂，操作復雜，費時費力，一般在設計定型投入使用前用該方法進行最后的強度驗證，不適于在設計過程中采用。實際上最有效、使用也最普遍的應力分析方法是數值分析方法，通常是指有限元分析方法。目前有限元分析軟件種類很多，按設計思想可分為三大類:

    (1) 通用有限元軟件，該類軟件發展較早，也比較成熟，因此市場占有率比較高。其特點是功能比較完善，其通用性可覆蓋多個領域。有的國外有限元軟件甚至宣稱可以解決任何領域的幾乎全部的有限元問題，當然這勢必帶來另一弊端，操作復雜，不易掌握，功能利用率低，其高度集成化使其可擴充性也受到一定限制，并要求使用者具有較深入的有限元知識。近年來，隨著計算機技術和工程技術的飛速發展，傳統的通用有限元軟件也受到兩方面的挑戰。一方面，高效的有限元算法日新月異，工程現象的更合理的數學模型層出不窮，要求有限元軟件內核能夠在用戶端具有可擴充性。另一方面，軟件從數學走向工程化也是當今工程軟件業的發展方向。因此在有限元軟件領域又分化出另外兩類。

    (2) 有限元軟件開發平臺。這是一種基于算法的開發環境，使用者可以在該環境下將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開發減少到1/10，如有限元程序自動生成系統（FEPG）。

    (3) 專用有限元軟件。該軟件是針對具體的工程特點，按設計人員的思路將復雜的有限元算法隱藏在背后，從界面和功能上可以作為工程設計的輔助工具，設計師的得力助手。設計人員面對的不再是陌生的有限元專業術語，而是更加親切的工程語言。其優點顯而易見，界面友好，使用方便，易學易用，更重要的是，不再要求設計人員親自去處理結構力學模型，不但減少了工作量，更避免了模型選取和簡化過程中可能引起的錯誤，其安全性風險從使用者轉移到軟件的開發者，而開發者可以通過精心設計程序和對程序的嚴格考證將安全性風險降至最低，而這一過程要比過分考慮避免各種可能的用戶操作而引起的錯誤要容易的多。