摘要：隨著工業的迅速發展，壓力容器承受的循環載荷情況日益增多，產生疲勞失效事故的可能性也在增加，壓力容器疲勞分析設計越來越引起人們的關注和重視。本文以齒嚙式快開壓縮空氣反應罐部分結構為例，基于有限元應力分析的方法對其運用ansys進行計算，得到其結構應力分布特性，并按照JB4732-95《鋼制壓力容器---分析設計標準》對危險截面進行強度和疲勞分析設計，保證壓力容器在使用周期內的安全性，提高齒嚙式快開壓力容器結構設計及制造的可靠性和經濟性。

　　關鍵詞：有限元;壓力容器;疲勞分析;

　　引言

　　在常規設計中，壓力容器是按照受靜載荷的條件下來考慮的，即認為容器中所受的應力是不隨時間而變化的，但實際上容器在交變載荷作用下運行的情況是非常普遍的。例如：頻繁的間歇操作及開、停車等造成的工作壓力和各種載荷的變化;運行時出現壓力波動;運行時出現的周期性溫度變化;在正常的溫度變化時，容器及受壓部件的膨脹或收縮約束等都將使容器中的應力隨時間成周期性變化。

　　而在交變載荷作用下壓力容器受壓部件中的焊接接頭附近、結構不連續的部位及開孔接管等區域內常常會產生很高的局部峰值應力，由于這些局部峰值應力很大，常�？梢赃_到容器總體薄膜應力的2~4倍。在交變載荷的反復作用下，會使材料晶粒間發生滑移和錯位，逐漸形成微裂紋，隨著載荷的不斷循環，微裂紋不斷擴展，進而形成宏觀疲勞裂紋貫穿整個壁厚，最終導致容器發生疲勞斷裂。

　　本文通過運用有限元分析方法對齒嚙式快開壓縮空氣反應罐部分結構進行離散化建模計算，得到其結構應力分布規律，判斷其應力危險截面，并按照JB4732-95《鋼制壓力容器---分析設計標準》對其危險截面進行強度和疲勞分析設計，協助提高齒嚙式快開壓力容器結構設計可靠性和經濟性。

　　1壓力容器應力疲勞分析算例

　　壓縮空氣反應罐結構主體設計參數為：設計溫度是0～80℃，設計壓力是2.5MPa，充氣壓力是1.0～2.0MPa可調，使用年限為10年，操作次數為1.5萬次/年，總循環數15萬次。載荷與實踐的關系示意圖見下圖1，按照GB150-2011《壓力容器》中規定的許用應力對設備進行計算評定。

　　2建立模型

　　有限元模型單元采用ANSYS軟件中的8節點三維實體單元(SOLID 45)�？s空氣反應罐殼體施加2.5MPa內壓,罐體法蘭齒上邊緣施加邊界等效壓力，P為設計壓力2.5MPa。根據罐體、罐蓋、法蘭及卡箍結構特性和承載特性，在有限元模型構建中，將筒體和法蘭一起建模，并取其1/12構建有限元模型(一個齒)。 針對壓縮空氣反應罐具體結構特點，選取罐體法蘭結構為例，建立相應的有限元模型進行應力和疲勞分析，并對計算分析結果進行總結研究，建立有限元計算模型如下：模型中施加的位移約束為：罐體法蘭在筒體底部平面施加Y向平動位移約束，兩側面施加對稱約束。

　　3應力分析

　　應力分析的目的是為了確定在規定載荷作用下, 結構的應力分布、所選擇的應力評定點或截面的應力分布及最大值和最小值、元件內所考慮點的應力隨時間的變化, 以此為基礎確定交變應力強度幅Salt。罐體法蘭結構最大應力值為255.952MPa，發生在罐體封頭與筒節處;罐體法蘭最大應變值為1.15688mm，發生在罐體法蘭齒根處。

　　4強度評定

　　進行應力分析后, 應根據最終應力計算結果來進行強度評定。強度評定是針對局部點進行的, 首先應根據分析計算所得到的應力分布選定應力評定點或截面, 根據載荷的性質和應力分類準則進行應力分類, 然后根據設計準則對各類應力予以評定。應力線性化路徑的選取原則是：通過應力最大節點，并沿壁厚方向的最短方向設定應力線性化路徑。為顯示清楚，取出感興趣部分進行強度評定。

　　5疲勞強度分析結果

　　疲勞分析設計是以應力分析為基礎,在結構滿足一次應力和二次應力的限制條件的前提下, 求取交變應力強度幅, 利用設計疲勞曲線, 進行疲勞強度校核, 從而評定結構承受疲勞載荷的能力。

　　機械論文投稿刊物：《壓力容器》(月刊)創刊于1984年，是合肥通用機械研究院承辦的科技期刊。主要報道我國壓力容器領域的最新科研成果、實用技術以及相關技術信息等。

　　結束語

　　經分析得出，壓縮空氣反應罐的罐體法蘭滿足計算規定條件下的應力強度要求和疲勞強度要求。由于疲勞破壞的裂紋源一般總是在由于種種結構不連續所引起的局部峰值應力部位或材料因內在質量或冷熱加工過程等所引起的原始或焊接缺陷處, 所以在結構設計或制造過程中總是力求減小結構的不連續程度以及減少種種缺陷。為確保壓力容器的安全運行, 對一些頻繁加載卸載工作條件下的壓力容器, 其強度設計不僅需要滿足一次總體薄膜應力的靜力強度要求和滿足局部應力的安定性要求, 而且還應考慮由于峰值應力引起的低周疲勞破壞。

　　參考文獻：

　　[1]王國周，瞿履謙主編，鋼結構原理與設計，清華大學出版社，

　　[2]JB4732-95，鋼制壓力容器-分析設計標準，中華人民共和國行業標準

　　[3]GB150-2011，壓力容器，中華人民共和國國家標準

　　作者：楊權 周帥彪