徐桑波

[摘 要]壓力容器在航空航天應用中的應用是多方面的。在此工作中，使用具有2D軸對稱模型的ANSYS軟件包進行有限元分析，以獲得具有焊接殘余應力的碳鋼制圓柱形壓力容器的故障壓力。為了找出殘余應力對破壞壓力的影響，首先進行彈塑性分析，找出沒有殘余應力的壓力容器的破壞壓力。然后進行熱機械有限元分析，以評估在焊接過程中在壓力容器中產(chǎn)生的殘余應力。最后進行一次彈塑性分析，以評估殘余應力對具有殘余應力的壓力容器的破壞壓力的影響。該分析表明由于不利的殘余應力導致的故障壓力的降低。

[關鍵詞]殘余應力；鋼瓶壓力容器；破壞壓力

中圖分類號：TG115.62 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）25-0015-01

1.引言

圓柱壓力容器用于各種領域，如化學和核工業(yè)，火箭發(fā)動機殼體制造和生產(chǎn)許多武器系統(tǒng)。圓柱形壓力容器可以承受的故障壓力的評估在壓力容器的設計中是重要的考慮因素。在預測壓力容器的故障壓力的同時，還需要考慮壓力容器中已經(jīng)存在的殘余應力。正在使用各種方法來估算故障壓力。基于GPD（全球塑性變形）的有限元技術也用于評估失效壓力，其結(jié)果與試驗結(jié)果非常一致。焊接已經(jīng)廣泛應用于制造船舶，離岸結(jié)構，鋼橋梁和壓力容器。由于焊接過程的局部加熱和隨后的快速冷卻，通常產(chǎn)生屈服強度的殘余應力通常在焊縫中產(chǎn)生。有限元方法已被用于分析各種類型的焊接接頭[1]。

2.發(fā)展進程

Iranmanesh和Darvazi[2]進行了對接焊接板溫度場和殘余應力的有限元模擬。Deng和Murakawa利用ABAQUS生成2D軸對稱有限元模型，模擬不銹鋼管道多通焊縫中的溫度場和殘余應力狀態(tài)。他們也進行了實驗，并證明了他們的分析結(jié)果是否正確。他們還表示可以使用2D模型以合理的精度節(jié)省大量的計算時間。Jeyakumar等已經(jīng)進行了二維有限元分析，并預測了對接焊接的兩種相似的低合金鐵素體鋼板和鋼板中的焊接引起的殘余應力。Jiang和Yahiaoui已經(jīng)生成了一個完整的3D熱機械有限元模型，用于通過使用元素去除/再活化技術來模擬填充材料的沉積來預測厚壁三通分支連接中的厚度焊接殘余應力分布。Melicher等[15]利用ANSYS生成三維有限元模型，用于圓周焊接接頭的熱機械分析。Yaghi等評估了鋼管軸對稱單多通對接焊縫中的殘余應力，考慮到溫度依賴性材料性質(zhì)，并允許固態(tài)相變（SSPT），除了包含熱處理有時間研究焊后熱處理（PWHT）的影響。Lu和Hassan對接焊和插座焊管進行了熱和殘余應力分析，并根據(jù)現(xiàn)有測試結(jié)果驗證了其分析結(jié)果。Nadimi等利用元素分娩和死亡技術對兩種不同鋼管進行對接焊接中的殘余應力進行了FEA，以模擬填充金屬沉積。Fanous等]對金屬沉積和非金屬沉積焊接過程進行了三維有限元建模與仿真。元素運動技術用于金屬沉積，以最小化計算時間。Tahami和Sorkhabi20進行了三維有限元分析，研究了板厚對對焊鋼板殘余應力的影響。Moraitis和Labeas21開發(fā)了兩級三維有限元模型，以預測鋼和鋁壓力容器的激光束焊接（LBW）中的鍵孔形成和熱機械響應。Wang等采用FEM分析了真空羽流效應實驗系統(tǒng)真空室的靜強度和穩(wěn)定性。Katsuyama等[3]通過一些案例研究評估了焊接殘余應力和初級水分脅迫腐蝕開裂（PWSCC）生長速率對裂紋滲透的影響。焊接仿真仍然是CPU時間要求和復雜性。為了降低復雜性并保持殘余應力預測的準確性，需要簡化2D焊接仿真程序。

顯然，在壓力容器生產(chǎn)中應用新概念可能存在許多問題，其中許多問題沒有考慮壓力容器中產(chǎn)生的殘余應力。減少這些應力可能導致結(jié)構強度的顯著增加。在本文中，F(xiàn)EA已經(jīng)使用具有2D軸對稱模型的ANSYS軟件包進行，以訪問由碳鋼制成的圓柱形壓力容器的對接焊接中的焊接引起的殘余應力，并預測具有和不具有焊接殘余應力的失效壓力。通過FEA評估壓力容器的失效壓力，并將其結(jié)果與現(xiàn)有的分析和實驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)它們有很好的一致性。

3.有限元分析

通過利用弱結(jié)構到熱場耦合的優(yōu)點，焊接的復雜耦合熱機械分析分為兩部分。在第一部分，進行非線性瞬態(tài)熱分析以預測焊接過程完整熱循環(huán)的域的溫度歷史。為了獲得熱歷史，瞬態(tài)，非線性熱問題是使用溫度依賴的熱性質(zhì)和考慮熱傳導，對流和輻射邊界條件來解決的。在熱分析中，熱通量在2157個時間步長中指定。從最高溫度冷卻至室溫（600℃）需要6009秒。在第二部分中，進行非線性結(jié)構分析，其中在熱分析期間計算的溫度歷史隨溫度依賴的機械性質(zhì)被應用作為體負荷以獲得瞬態(tài)和殘余應力場。結(jié)構分析中的負載步驟與相應的熱負荷步驟保持一致。由于加載步驟太多，所以采用ANSYS參數(shù)化設計語言（APDL）進行熱分析和結(jié)構分析。對于該壓力容器的故障壓力分析以及存在的殘余應力以評估殘余應力對破壞壓力的影響，從熱應力分析的終止（最終）載荷步驟以及施加的內(nèi)部壓力重新開始分析，并執(zhí)行至GPD。對應于GPD的壓力將是故障壓力。

4.結(jié)語

壓力容器是一個涉及多行業(yè)、多學科的綜合性產(chǎn)品，其建造技術涉及到冶金、機械加工、腐蝕與防腐、無損檢測、安全防護等眾多行業(yè)。壓力容器廣泛應用于化工、石油、機械、動力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部門。它是生產(chǎn)過程中必不可少的核心設備，是一個國家裝備制造水平的重要標志。2D使用ANSYS軟件包進行軸對稱模型的有限元分析，以獲得具有焊接殘余應力的碳鋼制圓柱形壓力容器的故障壓力。進行彈塑性分析以找出沒有殘余應力的壓力容器的失效壓力。為了評估由于焊接而存在于壓力容器中的殘余應力，進行熱機械有限元分析。還進行了另一種彈塑性分析，以評估殘余應力對具有殘余應力的壓力容器的破壞壓力的影響。從該分析可以看出，由于不利的殘余應力，故障壓力降低。還通過FEA評估了壓力容器的失效壓力，并將其結(jié)果與分析和實驗結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)它們具有良好的一致性。所提出的結(jié)果可以合成，以提供使用航空航天壓力容器應用的一些近似準則。

參考文獻

[1] 陳學東，崔軍，章小滸，關衛(wèi)和，壽比南，謝鐵軍.我國壓力容器設計、制造和維護十年回顧與展望[J].壓力容器，2012，（12）：1-23.

[2] 薛明德，黃克智，李世玉，壽比南.壓力容器設計方法的進步[J].化工設備與管道，2010，（06）：1-13.

[3] 鄭津洋，陳志平，孫國有.壓力容器設計技術進展及我國應采取的對策[J].石油機械，2001，（03）：1-4+59.

[4] 陸明萬，壽比南，楊國義.壓力容器分析設計的塑性分析方法[J].壓力容器，2011，（01）：33-39.