基于有限元方法的液压强度试验设备虚拟试验研究

　　1 引言

　　本文研究的液压强度试验设备是以压力为基本载荷，危险性较大的压力容器。压力容器有两种设计方法^[1]：

　　我国的GB150采用的是传统设计方法，称为“按规则设计”，其基本思想是并不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更趋于合理，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。

　　按规则设计和按分析设计的最大区别体现在是否对压力容器做应力分析。有三种应力分析方法：解析分析、实验分析、数值分析。实际结构一般都比较复杂，要对它们进行解析分析并非易事;一般在设计定型投入使用前用实验分析法进行最后的强度验证，不适于在设计过程中采用。实际上最有效的是数值分析法，通常指有限元分析法。

　　当前，压力容器全寿命数值模拟是现代设计的发展方向^[2]，而强度数值模拟是其关键之一。因此，建立概念清晰、减少人为因素干扰的压力容器强度数值模拟模型，对消除压力容器数值模拟的不确定性，有效评定压力容器强度，具有重要意义及工程应用价值。此外，压力容器是安全性要求很高的产品，除了要实现设计功能外，还要注意安全。在液压设备中，为了防止工作介质的泄漏，需要设计、安置密封元件。其密封效果直接影响到液压设备的使用性能和安全性，也具有十分重要的意义。

　　2 工作原理简介

　　在压力容器的质量检测中，液压试验是一道关键工序^[3]。文中的液压强度试验设备是为检验某直径5m余的压力容器在其工作状态下焊缝的质量而设计的。

　　工作原理示意图如图1 所示。将待检压力容器安放在承压胎的底座上，为使两压力容器间形成密闭腔，两结构接触位置(待检品底端)安装密封垫。用压环压住待检品，底座与压环间由多个螺栓联接，并配有辅助支撑环。螺栓配锥面垫圈和球面垫圈。加压前螺栓预紧。

　　3 有限元力学模型的建立

　　该液压强度试验设备及待检压力容器均为轴对称结构，故只需建1/4 模型即可。该有限元分析模型是针对压力最大时刻建立的，该时刻设备承受的工作载荷最大，故在整个密闭腔内施加2MPa 面载荷。应用ANSYS 软件对该设备进行了有限元分析，在Pro/E下进行参数化建模，应用面—面接触处理了该设备及待检压力容器中的53 对接触关系。将整个模型置于重力场中，且只约束了底座底面上内环线垂直方向的运动，最大程度地模拟了物理实验。有限元力学模型如图2 所示。待检品为铝材，该设备各零件所选材料及其力学与物理性能如表1 所示，计算时取安全系数1.5，承压胎选用压力容器专用材料16MnR，其许用应力为153MPa