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基于ANSYS Workbench的真空管道屈曲分析

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)中國船舶重工集團公司第七一八研究所 作者:張劍剛

  利用ANSYS Workbench 對某裝置中設計的真空管道進行了屈曲分析,并把有限元分析結果和解析法計算結果進行對比,驗證了有限元屈曲分析的可靠性。同時,提出真空管道優化設計方法,并對優化結果進行校核。計算結果表明:通過合理設置加強圈,既能有效提高真空管道抗外壓失穩能力,又能減輕管道重量,從而顯著降低制造成本。

  大型真空管道為薄壁結構件,其主要失效形式不是強度失效而是失穩失效。所謂的壓力容器失穩是指壓力容器所承受的載荷超過某一臨界值時突然失去原有幾何形狀的現象。研究外壓容器穩定性的目的在于研究容器的臨界壓力及相應的失穩模態,以改進加強措施,提高結構的抗失穩能力。由于外壓容器很難進行外壓試驗,直接考核大型外壓容器承受外壓時的穩定性是不現實的,因此大型外壓容器的穩定性計算往往多采用理論或有限元分析方法。

  ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,在壓力容器的屈曲穩定分析中有著廣泛的應用,它提供了兩種預測結構屈曲臨界載荷和屈曲模態的技術,一種是特征值屈曲分析,可以預測結構屈曲形狀,得到失穩臨界載荷的上限。另一種是非線性屈曲(包括幾何非線性和幾何及材料雙非線性)分析。使用非線性技術,模型中就可以包括諸如初始缺陷、塑性行為、間隙、大變形響應等特征,因此,非線性屈曲分析更接近工程實際的真實情況。

  本文利用特征值屈曲分析和非線性屈曲分析方法,對某裝置中設計的真空管道進行屈曲分析,并把有限元分析結果和解析法計算結果進行對比,得出真空管道穩定性的分析結論。同時,提出真空管道優化設計方法,為提高真空管道安全性和結構設計合理性提供了依據。

  3、真空管道優化設計

  在既定直徑與材料條件下,提高外壓容器的臨界壓力,可通過增加筒體厚度或減小計算長度方法。從減輕容器重量、節約成本出發,減小計算長度更有利,在結構上即是在圓筒的內部或外部相隔一定的距離上設置加強圈。

  真空管道可通過合理設置加強圈數量及位置來減小壁厚,使其重量在滿足穩定性條件下得到優化。經反復計算比較后,優化后真空管道設計參數如下: 筒體壁厚δ=10mm , 外加強圈為高度H=100mm ,厚度B=16mm 的扁鋼,數量N=3,加強圈沿筒體軸向等距均布,其結構示意圖如圖5 所示。

筒體帶加強圈優化后結構示意圖

圖5 筒體帶加強圈優化后結構示意圖

  有限元分析中,非線性屈曲分析更接近工程實際的真實情況。因此采用非線性屈曲分析對帶加強圈真空管道進行穩定性校核。得出真空管道臨界壓力Pcr=0.4407MPa,根據式(1)計算可得,其許用應力[p]=0.147MPa>0.1MPa,因此滿足穩定性要求。真空管道優化設計后重量對比結果如表2 所示,優化后重量比原設計方案顯著減小。

表2 真空管道優化前后重量對比

基于ANSYS Workbench的真空管道屈曲分析

  4、結論

  (1)三種分析結果中,特征值法分析結果較大,非線性屈曲分析結果較小,更接近解析法分析結果。因此,從設備安全使用方面考慮,特征值法不建議直接用于工程實際。工程上采用特征值法分析的結果乘以一定的折算系數,來替代非線性屈曲分析,從而得到相對保守的結果也是可以的。

  (2)在真空管道設計中,可以通過設置加強圈的方法來提高其臨界壓力,既能提高其穩定性,又能減輕整體重量,從而有效降低制造成本。

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