基于SolidworksSimulation对高压容器的静态及疲劳分析

    近年来，随着石油化工和其它工业的迅速发展，压力容器承受循环载荷的情况日益增多，特别是随着生产规模的不断扩大，使低合金高强度钢的应用也更为广泛；由于设计方法的改进，使设计标准中的安全系数也在不断下降等，这些因素的组合造成了压力容器产生疲劳失效事故的可能性也在增加；对于长期承受交变重载的设备，除了静强度和振动的考虑外，疲劳分析也是掌握设备运行状态及使用寿命的重要手段，根据国外1970-1990年代的有关统计，压力容器与管道的失效事故中疲劳失效约占30%左右，因此对压力容器的疲劳分析及寿命估计引起了人们越来越高的关注和重视。基于此，本文简要叙述了压力容器疲劳分析前载荷结构分析计算，获取承压容器的应力、应变强度的相关信息；在定义设计疲劳曲线(S-N曲线)的基础上，利用 Simulation对高压容器进行了疲劳分析，得出了承压容器的安全系数及使用寿命等相关数据。

1 简体结构模型

    高压容器的基本结构如图1所示。简体是高压容器的主要组成部分（此处不考虑底部封头及上端连接部分），此处简体由受载荷长端和不受载荷的顶端连接筒两部分组成。在实际制造方面，受载荷的长端和不受载荷的连接筒为一体，材质选为16MnDR。高压容器平面图如图1所示，容器全长6000mm，其中受载荷长端长度为5750mm，不受载荷的顶端连接筒长度为250mm。

图1 压力容器简体结构图

2 疲劳分析前的准备一静态分析

    2.1 简体三维模型的建立

    由于 Simulation若要进行优化分析，则必须先对分析对象作静态分析，因此此处先对承压容器的主简体作静力有限元分析。Simulation在其结构分析中，与其它CAE分析过程一样，一般包括前处理、求解和后处理3个部分，即几何模型的建立、定义材料属性、网格的划分、加载、求解和结果分析。由于 Simulation分析模块与是无缝集成的，故在不出CAD环境下即可对所建模型进行相关分析，故本文的压力容器简体即由三维制图软件完成实体模型的建立，所得压力容器简体的三维模型如图2所示。

图2 压力容器简体三维模型

    2.2 简体约束、加载及网格的划分

    在完成三维模型建立后，对压力容器模型进行约束、加载及划分网格，使其转为有限元模型。根据16MnDR材质，简体材料属性定义为：弹性模量(E)。泊松比值分别取为190GPa和0.3，屈服强度和抗拉强度分别为310MPa和490MPa。由于简体内壁受均匀的圆周径向压力，故对简体长端内壁加载设计压力(34MPa)，顶端连接筒是起连接旋转盖和主简体作用，不受水压，故顶端连接筒不加载，简体俩端面部位为固定约束，由于丰简体内壁为受力部位，故需对简体内壁进行局部细分，划分结果得节点数为15391个，单元数为7688个，网格划分结果及解算器信息如图3、图4所示。