1、 ANSYS 疲劳分析模块在压力容器设计中的应用 程伟 丘波 中国寰球工程公司，100029 摘 要 针对基于结构的弹性名义应力值确定的交变应力强度幅的确定方法和设计疲劳曲线的确定方法，简要叙述了对 JB4732-1995钢制压力容器 分析设计标准中附录 C（以疲劳分析为基础的设计） 的理解。 以一受波动压力载荷作用的椭圆封头开孔接管结构为例， 说明 ANSYS软件的疲劳分析模块在压力容器设计中的应用方法。 关键词 疲劳分析 压力容器 有限元 ANSYS Application of FSTAR in Pressure Vessel Design Cheng Wei Qiu Bo HQCEC,
2、100029 Abstract Aimed at the method to determine the alternating stress of strength based on the structure of the elastic nominal stress values and fatigue curve of design, briefly described the understanding of JB4732-1995 in appendix C (fatigue analysis based design). With a ellipsoidal head and n
3、ozzle opening under alternating pressure for example, explained the application of the FSTAR of ANSYS in pressure vessel design. Keyword Fatigue analysis Pressure vessel Finite element ANSYS 1 前言 在工业生产中，由于操作压力的波动、开停车引起的压力波动、外加载荷的交变以及温度的交变而形成的温差应力的波动等，使得压力容器产生疲劳失效事故的可能性大大增加，压力容器的疲劳分析设计越来越引起了业界的关注和重视。
4、本文首先针对基于结构的弹性名义应力值确定的交变应力强度幅的确定方法和设计疲劳曲线的确定方法，简要叙述了对 JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准中附录 C（以疲劳分析为基础的设计）的理解，然后以一受波动压力载荷作用的椭圆封头开孔接管结构为例，说明 ANSYS软件的疲劳分析模块在压力容器设计中的应用方法。 2 对 JB4732 交变应力强度幅计算方法的理解 根据附录 C.1.2，标准中的交变应力强度幅是基于结构的弹性名义应力值确定的，因此在应力计算时只涉及弹性计算。标准提供了两种情况下所考虑点的交变应力强度幅的确定方法。 a. 所考虑点的主应力方向在循环过程中不变。 这种方法对应的常见情
5、况有：波动内压的方向不发生变化，只有数值变化；波动温度的极值同时高于或低于计算参考温度；不考虑结构大变形的弹性计算。 可通过追踪所考虑点的主应力随时间的变化情况来更好地理解交变应力强度幅的计算方法。假设载荷在 t1和 t2 时间段内完成一次循环，所考虑点的三个主应力分量随时间的变化情况如下所示： 则 12 1 223 2 331 3 1() ( )() ( )() ( )tttStStSt = =S12， S23， S31随时间变化曲线如图 1 3 所示。 图 1 S12随时间变化曲线 图 2 S23随时间变化曲线 图 3 S31随时间变化曲线 12 12 1223 23 2331 31 31
6、rMAXMINrMAXMINrMAXMINSS SSS SSS S=12 1223 2331 31121212alt ralt ralt rSSSSSS=一般情况下， ti =tj =tk ， ti” =tj” =tk” ，且对应载荷的极值，因此只取极值时刻的应力状态即可确定交变应力强度幅。 b. 所考虑点的主应力方向在循环过程中发生变化。 将所考虑点在循环条件下的极端点（代数值最大或最小）所对应时刻的六个应力分量记为,xyzxyyzxzi，其它各时刻的应力分量与极端点的应力分量之差为波动应力分量，记为 , , , , , x y zxyyzxzt ，通过追踪所考虑点的应力分量随时间变化的情况
7、来理解交变应力强度幅计算方法。假设载荷在 t1和 t2时间段内完成一次循环，所考虑点实际应力分量随时间的变化情况如下所示： 波动应力分量为 ()( ) ( )()( ) ( )()( ) ( )( ) ( ) ()( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )xixxyiyyzizzxy xy xy iyz yz yz ixz xz xz itttttttttttttttttt = 由波动应力分量合成主应力分量： 12 1 223 2 331 3 1( ) ( )( ) ( )( ) ( )tttStStSt = =12 12 1223 23 2331 31 31 rMAXMINrMAXMINr
8、MAXMINSS SSS SSS S=12 1223 2331 31121212alt ralt ralt rSSSSSS=实际上，通过波动应力分量确定交变应力强度幅的方法不仅适用于主应力方向在循环过程中发生变化的情况，同样适用于主应力方向在循环过程中不发生变化的情况，后者是前者的特殊情况。3 设计疲劳曲线 标准中的设计疲劳曲线不是由实验确定的原始曲线，而是考虑多种影响因素后，经过修正适合工程应用的设计疲劳曲线。根据附录 C.1.3，设计疲劳曲线均考虑了平均应力的影响，因此只需考虑循环载荷所引起的应力，而无需考虑在循环中不变化的任何载荷或温度状态所产生的应力，因为其产生平均应力，而平均应力的最
9、大可能影响已包含在疲劳设计曲线中。同时，考虑到实验数据的分散性、尺寸效应、表面粗糙度和环境因素等，对应力幅取 2.0 的安全系数，对寿命取 20 的安全系数（其中包括数据分散度 2.0，尺寸效应 2.5，表面粗糙度和环境因素等4.0） 。 在用前面的计算方法得到的交变应力强度幅查设计疲劳曲线确定寿命之前还必须对其进行修正，一是对弹性模量的修正，二是在结构不连续处考虑疲劳强度减弱系数（按实际结构建模时不用考虑）。 54 ANSYS 软件疲劳分析模块应用 ANSYS 软件疲劳分析模块是后处理程序的一个模块，其理论根据是 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, S
10、ection III (和 Section VIII, Division 2)，因此用于压力容器的疲劳分析是完全适合的。下面以某一吸附器上封头为例说明疲劳分析模块的应用方法，分析模型结构参数如图 4 所示，设计数据见表 1，材料性能表见表 2。 图 4 结构参数 表 1 设计数据 操作载荷压力 最高 2.5MPa 每小时循环 2 次 设计寿命 10 年 最低 0.25MPa弯矩 M=107N-mm 设计温度 300 操作介质 一氧化碳、蒸汽 表 2 材料性能 材料 弹性模量E， MPa 泊送比 封头、筒体 Q345R 186000 0.3 接管 20 179000 0.3 在设备工作过程中弯矩
11、 M 不发生变化，因此 M 产生的应力为平均应力，疲劳分析中不用考虑，将最低工作压力作为第一载荷工况，将最高工作压力作为第二载荷工况，然后用疲劳分析模块计算设备寿命。图 5 为最低工作压力下的应力强度云图，图 6 为最高工作压力下的应力强度云图，图 7 为最低与最高工作压力的应力强度波动幅度云图。 图 5 最低工作压力下的应力强度云图 图 6 最高工作压力下的应力强度云图 图 7 最低与最高工作压力的应力强度波动幅度云图 由图 7 可知，应力强度波动最大点发生在斜接管根部，将此点作为最危险点，考察结构的疲劳寿命。进入 ANSYS 疲劳分析模块，按以下步骤完成疲劳分析： (1) 定义设计疲劳曲线
12、，命令 FP； (2) 存储最低工作压力下节点应力状态，命令 FSNODE； (3) 存储最高工作压力下节点应力状态，命令 FSNODE； (4) 设定设计循环次数，修正交变应力幅，命令 FE； (5) 激活疲劳分析，命令 FTCALC。 设计载荷循环次数： N=24 360 10 2=172800由于材料弹性模量与设计疲劳曲线中给定的不同，因此需要对应力幅进行修正，将 FE 中的系数设定为：/ 207000 /179000 1.16EE= =。 计算结果为： * POST1 FATIGUE CALCULATION * LOCATION 1 NODE 9740 PRODUCE ALTERNAT
13、ING SI (SALT) =92.382 WITH TEMP =300.0000 CYCLES USED/ALLOWED = 0.1728E+06/ 0.1000E+07 =PARTIAL USAGE =0.17280 CUMULATIVE FATIGUE USAGE =0.17280 修正后的交变应力强度幅为 92.382MPa，允许循环次数为 106，累计使用系数为 0.17280，故该部位满足疲劳强度的要求。 5 结论 借助于 ANSYS 提供的疲劳分析模块，设计人员在完成不同载荷条件下的应力计算后，可以免去人工计算交变应力强度幅的工作，程序还可以根据交变应力强度幅自动根据输入的设计疲劳曲线确定分析元件的寿命。但是，模块不具备自动判断疲劳危险点位置的功能，也不能判断最大交变应力强度幅发生时刻对应的载荷，需要设计人员自行指定，对交变应力强度幅的修正也需要人为指定系数。因此，应用疲劳分析模块计算结果的准确性很大程度上还依赖于设计人员的判断，要求设计人员对标准有准确地理解。 参考文献 1 JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准（ 2005 年确认）S. 2 贺匡国压力容器分析设计基础北京：机械工业出版社， 1995. 3 王国强实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践第 1 版西安：西北工业大学出版社， 1999.
