樊军康
博思特能源装备（天津）股份有限公司；天津市
摘要：压力容器是用来承装液体或者气体的一种容器，整体呈现密闭性，压力容器的设计方式有两种，分别是规则设计（又称常规设计）以及应力分析设计，本文对压力容器应力分析谈一点看法，并对其设计进行一定的阐述。
关键词：压力容器；应力分析；方法评述
引言：随着社会经济的不断发展，我国的综合国力水平也在不断的提升，国家面对更大的竞争挑战。压力容器最常应用在石油或者化工企业中，对国家的生产生活带来很大的帮助，所以合理的设计压力容器就十分重要了。压力容器设计得不合理就有可能会对安全造成很大的影响，压力容器内装的易燃易爆有毒物质会危害人的生命健康与安全，造成企业的经济损失。
一、应力分析设计方法
压力容器是在工业的制造生产中常用的一种工具，在工业的发展中起到了重要的作用，因为压力容器的存放物有时是易燃易爆或者有毒的物质，所以具有一定的危险性，对工作人员的人身安全有一定的影响，对环境也会产生一定的影响，压力容器的损坏会产生很严重的后果。所谓的压力容器应力是指材料内部的一种的力量，在周围生产环境的影响下，工作条件的变化会使材料内部产生相互的作用力，这种力的产生能够抵抗外部的因素，使容器恢复变形之前的状态。
应力分析设计方法就是对应力所产生变化进行分析，以应力为基础进行的设计，应力分析设计方法包括了几个方面。首先，可以采用一定的方法对压力容器进行弹性的应力分析，一般会采用三种方法，有理论分析方法、数值计算方法以及试验测定方法这三种，对弹力的计算结果相对的正确。其次，为了防止循环失败可以采用极限载荷控制应力，或者采用安定载荷控制一次加二次应力，还有第三种方法就是使用疲劳寿命来对最大的总应力进行控制，这些方法还能够防止整体的塑性垮塌失效。最后一个特点就是，要确定各类应力的最大极限值，要确定这种应力就要以不同的危险系数为标准，进行数值的确认。从以上几点就能看出，建立弹性应力分析是分析设计方法的基础，在这些数据的基础之上进行基数的应力分析和设计，完成整体的压力容器应力的分析设计。
二、应力设计的分类
（一）一次应力
在外部载荷的作用下，容器元件中的应力叫做拉伸和剪切应力，也叫做平衡外部机械载荷所必须的应力。这种应力的特点大致分为两类，一种是成正向的关系，在满足静力平衡的条件下，载荷增加，应力就会增加，应变也随之增加。第二种是非自线性，应力是根据容器的壁厚进行均匀的分布。这种应力大致上可以分成三个大类，分别是一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力。一次总体薄膜应力的作用对象就是整体，在应力中由于平衡压力和分布载荷而引发的薄膜应力，对整体结构都会带来影响的应力。一次局部薄膜应力是对部分局部产生影响的应力，一般会在壳体固定支座或者接管位置产生，是由外部载荷力引发的薄膜应力。一次弯曲应力一般在平盖中，由压力引发的弯曲，是一种平衡压力，是一种沿截面厚度朝向体现的一种线性分布的情况。
（二）二次应力
在容器中，元件都有正应力或者剪应力，元件本身具有约束。二次应力的特征主要两点，其一，要与变形或者协调规定所需的应力相符。第二点，是具有一定的自限性，当局部产生一定的变形后，与约束或者变形的条件相符，变形的程度不会继续的增加，只要外力的增加没有持续，本身的机构就可以处在安定的状态，不会使容器发生损坏，所以二次应力是有一种安定性的，能够很好限制容器的变形。
（三）峰值应力
峰值应力也有自限性，还有局部性的特点，能够使整体不变形，峰值应力却是引起疲劳和脆性断裂的根源。
在进行疲劳设计时，要对峰值应力做好限制，使容器不会发生局部性的损坏。
三、压力容器应力分析设计
（一）可靠性方法
经过试验的不断增多，数据的有效积累，在压力容器设计中可以引入可靠性分析技术。在目前，人们通常认为，压力容器的一些指标或者参数都是基于随机变量的形式存在的，这对压力容器的寿命有一定的影响。在现代，进行设计时要依靠的数据首先就是安全系数，有了安全系数的支撑才能进行常规设计与分析。压力容器的种类很多，并且周围的环境也是不断变化的，只是依靠经验进行分析设计并不能使设计达到要求。不同的生产水平，不同的技术情况对安全系数也会产生一定的影响，因此，压力容器设计的可靠性方案也就随之产生了。
（二）利用有限元分析软件进行应力分析
传统的压力容器的设计方法常常不符合实际的受力情况，首先需要简单的计算薄膜应力或者弯曲应力还有单一的许用应力，得出这些应力的计算结果数值，与设计的结果数值进行对比来设计容器的壁厚，这样的方式能够减少程序的复杂性，但是缺少一定的准确性。压力容器在工作中会受到多种应力的作用，其中最常见的就是薄膜应力、弯曲应力或者热应力，为了对各种应力进行有效的分析，会采用一种常见的方法分析数值法。
随着有限元分析软件的不断发展，软件的功能不断的强大，对多种因素进行了综合的考虑，使有限元分析的作用逐渐的加重，在现代已经成为进行弹性应力分析的主要手段，目前对有限元计算的应力结果还没有彻底进行分类，现在对有限计算进行的有效评定问题急需解决。为了解决这个问题，可以使用等效线性化的处理方法进行参考，应力沿着路径分布的公式不能通过有限元分析直接产生结果，所以，在进行线性化设计时，要对路径各点的分布进行模拟整合，从而得到一个应力的分布曲线图，对应力的分布有个大致的了解，然后通过有效的计算能够得到需要的相应的数值，对各项应力的计算都有很大的帮助。
（三）基于概率分析技术的可靠性设计
概率分析技术的应用有一定的设计流程，是基于ANSYS的PSD有限元概率设计功能。在进行参数设计时，要做好输入和输出两个方面，做好随机因素的处理工作，这是与确定设计的最大的不同，对整体的计算结果也会产生一定的影响。概率设计是将设计参数作为一定的变量，通过输入参数的变化，来观察输出结果的变化，总结输入对输出的影响。确定性设计是把输入参数当成确定量，根据经验产生一种安全因子，把这个安全因子作为随机的影响因素，通过这个变量计算出结果。在概率设计的模型中，对随机变量的要求不高，随机变量可以是一个或者多个，随机变量之间的关系也可以是相对灵活的，随机变量的不同，输出的结果就会不同。在概率分析中，只要提供输入的随机变量的分布形式，输出的结果就是能够保证的。确定性设计的进行大多依靠经验，对不确定因素的选择带有随机性和经验性，再根据安全系数进行结果的计算。最后，在进行取样的工作时，是使用ANSYS来完成概率的设计，在进行设计时要输入不同的输入变量的组合来执行设计，执行规定次数的确定性设计操作，能够计算出输入变量。变量值的随机值是通过取样的方法来进行，一般的取样方法可以使用蒙特卡洛取样或者响应面取样。
结语
压力容器对我国的经济发展提供了很大的帮助，对工业水平的提升和发展提供了帮助，所以压力容器的设计是十分重要的。在设计压力容器的过程中，要按照国家法律法规和相关安全技术规范的规定，对设计的数据进行科学合理的采集，使用适合的方式方法对各种参数进行采集，保证设计的合理性。
参考文献：
[1]左安达,刘杰.天方地圆截面特殊压力容器的结构设计与应力分析[J].中国特种设备安全,2020,36(09):15-21+27.
[2]沈愚,刘科明.压力容器设计及制造过程中降低应力集中的措施[J].化工设计通讯,2020,46(06):110-111.
[3]陈旦,祖磊,许家忠,刘美军.干纱缠绕复合材料压力容器的结构设计与强度分析[J].玻璃钢/复合材料,2019(02):5-12+44.
[4]刘辉.基于ANSYS的压力容器纵向长圆形开孔补强应力分析[J].化工设计通讯,2018,44(10):126-127.