劉瑞瑞，張養(yǎng)治

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

壓力容器強度分析與安全評定

劉瑞瑞，張養(yǎng)治

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提升，壓力容器在社會的應(yīng)用越加廣泛。壓力容器在制造及應(yīng)用過程中，非常容易受到各種因素的影響，進(jìn)而出現(xiàn)安全隱患，對于壓力容器靜載強度造成影響，出現(xiàn)脆性斷裂的可能性顯著提升。所以，對于壓力容器強度分析與安全評定，對于壓力容器應(yīng)用具有關(guān)鍵性作用。進(jìn)行壓力容器強度分析時，主要通過ABAQUS限元軟件進(jìn)行分析研究，同時對壓力容器進(jìn)行安全評定，保證壓力容器的質(zhì)量及安全水平。

壓力容器；強度分析；安全評定

我國對于壓力容器進(jìn)行研究是在20世紀(jì)70年代的時候，隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，我國在壓力容器強度分析與安全評定上面已經(jīng)取得了十分顯著的成果。特別是在近幾年內(nèi)，壓力容器在發(fā)展過程中已經(jīng)擁有了較為豐富的研究成果與實踐經(jīng)驗，壓力容器真正快速發(fā)展。壓力容器的研究一直處于不斷完善的狀態(tài)，壓力容器強度分析與安全評定有關(guān)科學(xué)技術(shù)不斷改進(jìn)，造成壓力容器在強度分析上面逐漸傾向于高技術(shù)與高精準(zhǔn)方向發(fā)展，壓力容器安全評定安全性及科學(xué)性都在顯著提升。

1 壓力容器的強度分析

壓力容器在強度分析過程中，應(yīng)用最為廣泛的研究方法應(yīng)該為有限元法，在對于壓力容器強度計算及分析過程中還能夠應(yīng)用有限元軟件ABAQUS。

1.1 有限元法

1943年有關(guān)研究人員正式提出有限元法，有限元法在剛開始產(chǎn)生的時候主要在扭轉(zhuǎn)問題計算內(nèi)應(yīng)用，主要作用就是計算出扭轉(zhuǎn)問題最佳解，有限元法在經(jīng)過不同完善及實踐應(yīng)用之后，逐漸在電子計算機(jī)計算內(nèi)應(yīng)用，主要是對于電子計算機(jī)復(fù)雜彈性有關(guān)問題進(jìn)行分析研究。有限元法在實際應(yīng)用過程中，主要是通過變分原理對于計算數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，然后將彈性體進(jìn)行劃分，形成單獨彈性體，在應(yīng)用有限節(jié)點和不同彈性體充分進(jìn)行連接，構(gòu)成單元體。在這種構(gòu)成形式內(nèi)的單元體內(nèi)，每一個單元體都能夠體現(xiàn)出整體彈性體在力學(xué)上面所發(fā)生的改變，使彈性體所具有的特性更加突出。

正是由于有限元法在實際應(yīng)用過程中所具有的特點，所以能夠在真實結(jié)構(gòu)模型內(nèi)應(yīng)用，利用計算近似力學(xué)的方式計算出強度參數(shù)。有限元法在實際應(yīng)用過程中能夠?qū)τ诙鄠€方程式進(jìn)行分析研究，具體步驟為：首先就將一個整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分分散，讓一個整體結(jié)構(gòu)能夠劃分成為不同單元體；其次就是將每一個單元體內(nèi)的剛度矩陣進(jìn)行計算，按照所計算出來的數(shù)值與結(jié)果所具有的規(guī)律，構(gòu)建總體平衡方程；然后還需要將外界支撐條件因素進(jìn)行分析研究，結(jié)合到總體平衡方程之中，在對于總體平衡方面整體進(jìn)行研究，計算出整體結(jié)構(gòu)內(nèi)每一個節(jié)點所一定的距離；最后就是按照每一個節(jié)點所移動的距離，將每一個單元體內(nèi)的應(yīng)力及應(yīng)力變化進(jìn)行分析研究。

1.2 ABAQUS有限元軟件

有限元法在實際應(yīng)用過程中，需要借助計算機(jī)才能夠?qū)⒂邢拊ㄋ哂械膬?yōu)勢全部發(fā)揮出來。所以，在對于有限元法有關(guān)軟件或者是程序設(shè)計研發(fā)過程中，需要根據(jù)有限元理論知識，結(jié)合有限元單元格式及算法，對于軟件或者是程序進(jìn)行設(shè)計，同時還需要與計算機(jī)發(fā)展趨勢相結(jié)合，這樣才能夠充分發(fā)揮出有限元法所具有的優(yōu)勢。就現(xiàn)階段有限元所設(shè)計出來的軟件或者是程序而言，其中應(yīng)用最為廣泛的就是ABAQUS有限元軟件，該有限元軟件內(nèi)包含有限元算法內(nèi)的較多單元格式，同時還能夠按照不同材料，制作針對性的材料模型，網(wǎng)格劃分等功能都能夠自動化完成，在對于壓力容器分析研究中，能夠?qū)τ趬毫θ萜髡麄€結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面性了解。ABAQUS有限元軟件在實際應(yīng)用過程中具有良好的功能，同時還能夠在力學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分析研究，在對于難度較高的非線性問題解決過程中，主要是通過構(gòu)建模型機(jī)型模擬的方式。ABAQUS有限元軟件在對于物體進(jìn)行力學(xué)分析過程中，不僅僅能夠?qū)δ骋粋€單獨存在的零件進(jìn)行分析研究，同時還能夠?qū)τ谙到y(tǒng)性元件進(jìn)行分析研究，利用自身在分析上面所具有的能力，其模擬能力在實際應(yīng)用過程中具有良好的穩(wěn)定性。

1.3 應(yīng)力評定

設(shè)計人員在對于壓力容器設(shè)計過程中，為了能夠最大程度提高壓力容器所具有的安全性能及精確性，這樣就需要壓力容器在生產(chǎn)完畢之后，具有較高的安全系數(shù)，這樣才能夠保證壓力容器在實際應(yīng)用過程中所具有的效果。但是這種設(shè)計情況其他因素對于壓力容器強度所造成的影響在分析上面就存在較高的難度，例如薄膜應(yīng)力，同時為了保證壓力容器所具有的屈服數(shù)值達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計過程中產(chǎn)生錯誤觀點，進(jìn)而造成壓力容器無法在實際應(yīng)用過程中發(fā)揮出自身所具有的功能。對于壓力容器內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行有效控制，能夠保證壓力容器整體都能夠承受壓力，并不是壓力容器某一個局部承受壓力，讓壓力容器在實際應(yīng)用過程中能夠充分發(fā)揮出自身所具有的作用。

2 壓力容器的安全評定

壓力容器在進(jìn)行安全評定過程中，所應(yīng)用到的基礎(chǔ)理論就是斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)能夠?qū)τ谖矬w在含有裂紋的情況下所具有的強度及裂紋變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，進(jìn)而形成有關(guān)安全評定。

2.1 斷裂力學(xué)

在1920年科研人員正式提出斷裂力學(xué)觀點，斷裂力學(xué)在剛開始產(chǎn)生的時候，主要應(yīng)用到玻璃平版實驗內(nèi)，伴隨著科研人員對于斷裂科學(xué)不斷分析研究，斷裂力學(xué)在1948年正式產(chǎn)生。斷裂力學(xué)可以劃分為多種類別，現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)該是線彈性斷裂力學(xué)，同時線彈性斷裂力學(xué)也是對于壓力容器進(jìn)行安全評定理論基礎(chǔ)。要是從裂紋形狀特點進(jìn)行劃分，可以將斷裂分為三種形狀，分別是為穿透裂紋、表面裂紋與深埋裂紋；要是按照作用力類別進(jìn)行劃分，可以將斷裂分化為三種類別，分別是張開型、撕開型與滑開型。筆者在對于不同種裂紋分析研究之后發(fā)現(xiàn)，在研究過程中需要從裂紋尖端作為研究切入點，從應(yīng)力場與位移場進(jìn)行全面性分析研究。在分析過程中，需要講裂紋定點作為坐標(biāo)起始點，按照線彈性理論進(jìn)行分析研究，探索斷裂在應(yīng)力與位移上面所發(fā)生的改變，

在工程內(nèi)，出現(xiàn)斷裂最為常見的類別就是表面斷裂，在對于表面斷裂問題解決過程中，正常情況下都通過表面半橢圓裂紋解決措施。在對于壓力容器進(jìn)行安全鑒定主要從四個方面進(jìn)行判斷，分別是氣孔、咬邊、未焊透與夾渣，在對于這種問題解決過程中，一般都應(yīng)用埋藏橢圓裂紋的解決措施。在對于壓力容器進(jìn)行安全評定中，在整個評定過程中搜需要按照斷裂力學(xué)進(jìn)行評定，這樣才能夠保證壓力容器整體質(zhì)量符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 結(jié)果計算

在對于壓力容器強度因子計算過程中， 正常情況下都是通過應(yīng)用有限元軟件的方式計算。但是由于壓力容器所出現(xiàn)的裂紋相對而言較小，所以在對于裂紋問題解決過程中，就需要將裂紋問題進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，改變?yōu)槔瓚?yīng)力均勻的裂紋平板有關(guān)問題。壓力容器在安全評定過程中，有限元法在應(yīng)用過程中會構(gòu)建模型，完成對于應(yīng)力數(shù)值的計算。假設(shè)壓力容器內(nèi)部厚度要是88mm，這樣所構(gòu)建出來的模型長寬就應(yīng)該為88mm與44mm，通過應(yīng)用有限元模型對于強度因子數(shù)值進(jìn)行計算，在這個過程中還需要與原有公式進(jìn)行分析對比，保證有限元法所構(gòu)建出來的模型能夠更加科學(xué)合理。模型在構(gòu)建完畢之后，就需要對于網(wǎng)格繼續(xù)擰劃分，網(wǎng)格劃分對于計算結(jié)果精確性具有直接性影響，所以在劃分過程中必須嚴(yán)格遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)結(jié)果在計算完畢之后，需要對于結(jié)果進(jìn)行重新計算預(yù)分析，進(jìn)而保證所計算出來的強度因子數(shù)值科學(xué)合理。

3 結(jié)語

簡而言之，在對于壓力容器強度分析與安全評定過程中，整個過程都需要將兩個力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，也就是材料力學(xué)與斷裂力學(xué)，在系統(tǒng)性分析與計算之后得到針對性結(jié)果。現(xiàn)階段對于壓力容器強度分析與安全評定雖然已經(jīng)較為完善，但是還存在一定不足，需要不斷進(jìn)行完善。

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