压力容器及管道有限元分析(ANSYS,ABAQUS)

压力容器及管道有限元分析（ANSYS，ABAQUS）

随着工业水平不断提高，各行业对创新的要求也不断提高，然而常规的设计手段已经严重制约了工程师的创新能力。为了解决设计中的各种难题、满足工具师对力学工具的需求，特推出有限元分析服务。

使用软件：

Abaqus Ansys Hypermesh

具体算例：

一，异形换热器管板及水室强度分析（Abaqus）

通常冷凝器管板联接水侧和汽侧的壳体及换热管。规则的管板可按ASME或GB150来设计，其计算方法比较复杂。有限元模型如图1所示。（为了看清内部结构，隐去了壳体）

大型冷凝汽由于要保留单侧工作的能力，在水室中有一块分隔板将水室分成两半，这样，原来具有的轴对称性条件不存在了，计算需用有限元方法。管板上支有几千根换热管，这些换热管对管板有加强作用，同时由于大量的开孔也破坏了管板的刚性，管板材料按ASME VIII-2处理。管板两侧承受两种压力载荷；由于换热管与汽侧壳体材料及温度的差异，换热管上要加上热位移差。如细仔点还要考虑管子由于内外压引起的泊松效应载荷。

管板/盖板/螺栓采用体单元C3D8/C3D6，管子用梁单元B32，壳体用S4R，每根管

二，接管开口强度分析

经常碰到容器上开口过大的问题，也常碰到奇形怪状的开口，或者其它一些附着物联接到容器上。这类问题主要是建模的复杂。

图2，接管1

三，异形的换热器壳体内压或外压分析

通常换热器的壳子是很规则的，无论是管侧还是壳侧，都具有良好的轴对称性，即所谓的回转壳体。回转壳体受压问题，可以用板壳理论来解，一般是有解的，这个解也正是ASMEVIII或GB150、 GB151这类规范的设计计算基础。

当壳体的轴对称性受到严重的破坏时，严格意义上来讲，原来的解是不适用了。这时可采用数值方法来计算。

四，方形排汽管道（容器）的强度/刚性设计

方形容的设计不及关心其强度，有时也要考虑其刚性，如图4所示，图4为一段排汽管道，上面还带有两组波纹管。

在工作过程，整过管道受内压或者外压，壳体会变形，有时会出现强度可以接受，但变形太大，太难看的情况，即刚度不太好。如图4所示，最大变形有22mm，此时强度依然可以接受。

图4右为方形的集液箱，上端接汽轮机，正前面接大排汽管道，下面是四根高脚（四根角钢）。除了承受外压，集液箱还要承受来自于大管道的推力。由于高脚的刚性不太好，所以要管道力太大时会影响到上端的汽轮机口。计算过程中必须考虑这种作用在汽轮机上的力不影响汽机的安全运行。图5为热井也是一种大型真空容器（冷凝器的一部

五，排汽管道柔性设计

如图6所示，为从汽轮机到空冷器的一段排汽管道，一个进汽口三个出汽口；主管径2800mm，长度60多米，高约22米；进汽段为方口。

对于圆管这类问题多用CASEAR来处理，但方形管无法处理。鉴于这管系不太复杂，采用Ansys或者Abaqus来处理是可行的。

六,O型密封分析

O型密封常用于换热器，转轴等机械上。密封是通过橡胶环受压后与周边钢体产生接触压力来实现密封的。

问题中的O形环要实现两个方向上的同时密封。必须计算出两个方向的等压压缩比。而不能简单按单向来考虑。橡胶是高弹性的，采用高弹性单元。其余部分用刚性单元。设置柔性与刚体的接触。

七，热应力分析

在能源化工行业，热应力普遍存在。例如，固定管板换热器，由于管与壳间的热位移不同而产生的热应力；又如下有些较厚容器由于内外壁温差较大而产生热应力；还有，如下图所示夹套容器，当夹套用来加热或者冷却时，内外温差引起的热应力。诸如此类问量，均可以用数值方法求解。

八，模态分析

在设备、管线的设计及实际运行过程中，常会遇到动力学的问题。如塔器设计时，须考虑到地震方面的问题。规范中的地震分析多采用谱理论，结构简单的设备，自振模态易解得，设计也就不难了。复杂结构可以用有限元法解得自振频率，然后做谱分析。又如，一些设备和管系由于工作环境复杂，经常振动超标，此时也可以用数值方法求出其固有频率，并想方设法改变其值，从而减小振动。

图11动画反应的是一供油设备，其顶部的前几阶模态，分析是为了提前顶部振动的频率，回避电机频率，从而降振。

图12是与泵连接的水管，也是极易振动的。计算其固有频率，是希望通过加设支吊、弹簧架等来降低其振动。总之模态分析是模态动力学的基础，应重点掌握。