杨权 周帅彪
中国核电工程有限公司郑州分公司 河南 郑州 450000
摘要：随着工业的迅速发展，压力容器承受的循环载荷情况日益增多，产生疲劳失效事故的可能性也在增加，压力容器疲劳分析设计越来越引起人们的关注和重视。本文以齿啮式快开压缩空气反应罐部分结构为例，基于有限元应力分析的方法对其运用ansys进行计算，得到其结构应力分布特性，并按照JB4732-95《钢制压力容器---分析设计标准》对危险截面进行强度和疲劳分析设计，保证压力容器在使用周期内的安全性，提高齿啮式快开压力容器结构设计及制造的可靠性和经济性。
关键词：有限元；压力容器；疲劳分析；
引言
在常规设计中，压力容器是按照受静载荷的条件下来考虑的，即认为容器中所受的应力是不随时间而变化的，但实际上容器在交变载荷作用下运行的情况是非常普遍的。例如：频繁的间歇操作及开、停车等造成的工作压力和各种载荷的变化；运行时出现压力波动；运行时出现的周期性温度变化；在正常的温度变化时，容器及受压部件的膨胀或收缩约束等都将使容器中的应力随时间成周期性变化。而在交变载荷作用下压力容器受压部件中的焊接接头附近、结构不连续的部位及开孔接管等区域内常常会产生很高的局部峰值应力，由于这些局部峰值应力很大，常常可以达到容器总体薄膜应力的2~4倍。在交变载荷的反复作用下，会使材料晶粒间发生滑移和错位，逐渐形成微裂纹，随着载荷的不断循环，微裂纹不断扩展，进而形成宏观疲劳裂纹贯穿整个壁厚，最终导致容器发生疲劳断裂。
本文通过运用有限元分析方法对齿啮式快开压缩空气反应罐部分结构进行离散化建模计算，得到其结构应力分布规律，判断其应力危险截面，并按照JB4732-95《钢制压力容器---分析设计标准》对其危险截面进行强度和疲劳分析设计，协助提高齿啮式快开压力容器结构设计可靠性和经济性。
1压力容器应力疲劳分析算例
压缩空气反应罐结构主体设计参数为：设计温度是0～80℃，设计压力是2.5MPa，充气压力是1.0～2.0MPa可调，使用年限为10年，操作次数为1.5万次/年，总循环数15万次。载荷与实践的关系示意图见下图1，按照GB150-2011《压力容器》中规定的许用应力对设备进行计算评定。
2建立模型
有限元模型单元采用ANSYS软件中的8节点三维实体单元(SOLID 45)。缩空气反应罐壳体施加2.5MPa内压,罐体法兰齿上边缘施加边界等效压力＝=20.9MPa。其中A是一个齿上的受力面积为2820，P为设计压力2.5MPa。
根据罐体、罐盖、法兰及卡箍结构特性和承载特性，在有限元模型构建中，将筒体和法兰一起建模，并取其1/12构建有限元模型（一个齿）。 针对压缩空气反应罐具体结构特点，选取罐体法兰结构为例，建立相应的有限元模型进行应力和疲劳分析，并对计算分析结果进行总结研究，建立有限元计算模型如下：模型中施加的位移约束为：罐体法兰在筒体底部平面施加Y向平动位移约束，两侧面施加对称约束。
图2 罐体法兰有限元模型
3应力分析
应力分析的目的是为了确定在规定载荷作用下, 结构的应力分布、所选择的应力评定点或截面的应力分布及最大值和最小值、元件内所考虑点的应力随时间的变化, 以此为基础确定交变应力强度幅Salt。计算的罐体法兰结构应力分布云图如下：
图3 罐体法兰结构应力分布 图4 罐体法兰结构位移分布图
由图3、图4有限元计算结果可知，罐体法兰结构最大应力值为255.952MPa，发生在罐体封头与筒节处；罐体法兰最大应变值为1.15688mm，发生在罐体法兰齿根处。
4强度评定
进行应力分析后, 应根据最终应力计算结果来进行强度评定。强度评定是针对局部点进行的, 首先应根据分析计算所得到的应力分布选定应力评定点或截面, 根据载荷的性质和应力分类准则进行应力分类, 然后根据设计准则对各类应力予以评定。应力线性化路径的选取原则是：通过应力最大节点，并沿壁厚方向的最短方向设定应力线性化路径。为显示清楚，取出感兴趣部分进行强度评定。应力强度最大点及路径设定见图所示，强度评定如下：
图5 罐体法兰结构应力云图
表1 罐体法兰结构应力分析强度评定
5疲劳强度分析结果
疲劳分析设计是以应力分析为基础,在结构满足一次应力和二次应力的限制条件的前提下, 求取交变应力强度幅, 利用设计疲劳曲线, 进行疲劳强度校核, 从而评定结构承受疲劳载荷的能力。对应力最大位置处进行疲劳分析，得出罐体法兰部分积累使用系数=0.15000< 1.0，分析结果见下图。
图6 罐体法兰结构疲劳分析结果
结束语
经分析得出，压缩空气反应罐的罐体法兰满足计算规定条件下的应力强度要求和疲劳强度要求。由于疲劳破坏的裂纹源一般总是在由于种种结构不连续所引起的局部峰值应力部位或材料因内在质量或冷热加工过程等所引起的原始或焊接缺陷处, 所以在结构设计或制造过程中总是力求减小结构的不连续程度以及减少种种缺陷。为确保压力容器的安全运行, 对一些频繁加载卸载工作条件下的压力容器, 其强度设计不仅需要满足一次总体薄膜应力的静力强度要求和满足局部应力的安定性要求, 而且还应考虑由于峰值应力引起的低周疲劳破坏。
参考文献：
[1]王国周，瞿履谦主编，钢结构原理与设计，清华大学出版社，
[2]JB4732-95，钢制压力容器-分析设计标准，中华人民共和国行业标准
[3]GB150-2011，压力容器，中华人民共和国国家标准