謝業(yè)東，農(nóng) 琪

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南寧 530001）

0 引言

疲勞破壞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)極限強(qiáng)度載荷的重復(fù)作用下出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象，影響疲勞強(qiáng)度的主要因素有[1]：

1）載荷的循環(huán)次數(shù)；

2）每個循環(huán)的應(yīng)力幅值；

3）每個循環(huán)的平均應(yīng)力；

4）存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

壓力容器在交變載荷作用下會發(fā)生疲勞破壞，而疲勞破壞又特別容易發(fā)生在塑性變形比較大的高應(yīng)變區(qū)，如筒體接管的根部，并且破壞的循環(huán)周次比較低，因此壓力容器的疲勞破壞屬于低周疲勞破壞。本文利用ANSYS程序?qū)Φ湫蛪毫θ萜鹘Y(jié)構(gòu)的筒體接管結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。

1 疲勞分析設(shè)計

設(shè)計條件：設(shè)計溫度為常溫，內(nèi)壓波動0～2.5MPa，載荷每小時波動2次，年平均工作8000小時，設(shè)計服役10年，則設(shè)計循環(huán)次數(shù)為8000×2×10=1.6×105，水壓試驗(yàn)次數(shù)5次。

表1 設(shè)計參數(shù)表

1.1 接管筒體結(jié)構(gòu)及幾何尺寸

接管采用平底直插連接，接管的內(nèi)表面根部和焊縫外側(cè)均采用圓角過渡，參數(shù)如表1所示。

1.2 筒體材料及其參數(shù)

筒體和接管材料均為16MnR，彈性模量和泊松比均取E=2×105MPa，u=0.3 。

1.3 有限元分析模型

根據(jù)筒體接管的結(jié)構(gòu)特性和承載特性，取1/4筒體接管構(gòu)建有限元分析模型如圖1所示。

圖1 有限元建模

圖2 網(wǎng)格劃分

1.4 筒體接管的應(yīng)力強(qiáng)度分析

1.4.1 載荷、邊界條件及有限元應(yīng)力分析

1）有限單元選擇 采用ANSYS軟件中的20結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元（Solid45）, 劃分網(wǎng)格得有限元模型如圖2所示。

2）位移邊界條件 在圖2所示坐標(biāo)系中，筒體接管處橫向?qū)ΨQ面各結(jié)點(diǎn)位移：δx=0。筒體接管處縱向?qū)ΨQ面各結(jié)點(diǎn)位移：δz=0。筒體接管處橫截面各結(jié)點(diǎn)位移：δy=0。

3） 施加載荷 最高工作壓力Pil=2.5MPa。接管上端面處軸向拉應(yīng)力，接管直徑比k=dn0/dni。殼體左端面平衡面載荷殼體直徑比k=Dc0/Dci。

4）有限元應(yīng)力分析結(jié)果

接管筒體結(jié)構(gòu)在最高工作應(yīng)力下的應(yīng)力云圖如圖3所示

圖3 最高工作壓力下的應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖得知最大應(yīng)力強(qiáng)度發(fā)生在接管根部內(nèi)側(cè)的圓角過渡處，節(jié)點(diǎn)號為3257，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度分布如下：

1.4.2 應(yīng)力強(qiáng)度評定

在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域（筒體接管根部的內(nèi)側(cè)圓角過渡）定義路徑，選取最大應(yīng)力強(qiáng)度節(jié)點(diǎn) 和它對應(yīng)的焊縫外表面節(jié)點(diǎn) 定義路徑A_A，其應(yīng)力線性化結(jié)果如下：

根據(jù)JB4732-1995[2]表6-2，常溫下的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度Sm=187MPa。

對于路徑A_A應(yīng)力評定如下：

結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度要求。

2 疲勞分析

設(shè)置一個位置、兩個事件及兩個載荷的疲勞分析，根據(jù)JB4732-1995[2][2]表C-1輸入 疲勞曲線數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 疲勞曲線參數(shù)

存儲兩個事件的兩個載荷，設(shè)定兩個事件的循壞次數(shù)，即可進(jìn)行疲勞計算，疲勞分析輸出允許的疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)見ANSYS分析結(jié)果如下：

由分析結(jié)果可知，筒體接管的累計使用系數(shù)為 ，結(jié)構(gòu)不能滿足疲勞強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

1）在交變載荷的作用下，筒體接管的最大交變應(yīng)力幅值發(fā)生在筒體接管根部的內(nèi)表面圓角過渡處，在進(jìn)行疲勞分析時，應(yīng)重點(diǎn)分析該處的疲勞強(qiáng)度。

2）在壓力容器的不連續(xù)區(qū)，一般也是疲勞破壞的高發(fā)區(qū)。在進(jìn)行設(shè)計時，不連續(xù)區(qū)的內(nèi)外側(cè)應(yīng)設(shè)置圓角過渡，圓角半徑也要適當(dāng)，以改善這些部位承受交變載荷的能力，避免疲勞破壞的發(fā)生。

3）采用ANSYS軟件進(jìn)行疲勞分析設(shè)計，可以避免復(fù)雜的人工計算，獲得比較準(zhǔn)確疲勞分析結(jié)果，為壓力容器的設(shè)計和使用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

[1] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用(第二版).北京:中國水利水電出版社,2007.

[2] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB4732—1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.