A Methodolgy of Fatigue Analysis of Pressure Vessels

by FEA

Mr. Ravi Krishnamoorthy Naman Shukla Deepak Taneja Sunny Bhardwaj

Assistant Professor (SG), Student, Student, Student,

Dept. of mechanical engineering, SRM University, Kattankulathur,

Tamil Nadu, India.

压力容器疲劳分析的有限元分析方法

摘要

压力容器中的流体在压力和温度下会随时间变化，因此分析压力容器的疲劳载荷非常重要。设计应确保在几次瞬态过程中压力容器的结构完整性。这项研究提供了一种通过ASME代码进行压力容器疲劳分析的方法。ANSYS软件用于执行所有分析。进行瞬态热和压力分析，并将结果用于确定累积使用系数。疲劳曲线用于确定周期，因此计算了使用系数。通过使用Miner定律研究疲劳的累积使用系数，来确定设计是否适当。

关键字：压力容器，疲劳，ASME BPVC代码，ANSYS，瞬态热分析，疲劳曲线，累积使用系数，Miner定律

1. 引言

压力容器是一种密闭容器，设计用于在与大气压力大不相同的压力下容纳气体或液体。压力容器在热电厂和核电厂中有广泛的应用。流体可以处于高温下并且随时间变化的加压状态。MYUNG JO JHUNG [7]的论文详细介绍了分析过程和在不同分析中要考虑的变量。MULLA NIYAMAT [6]的论文描述了压力容器设计和验证的分析设计方法。完整的分析分阶段进行。第一步是压力分析，它是在设计压力和静水压力下完成的。第二步是执行瞬态热分析。对于瞬态热分析，根据操作环境确定传热系数，并简化瞬态热数据以准备简单的输入平台。考虑到总应力强度范围，发现了最严重的情况，并获得了当时的应力水平以及所施加的压力。然后将这些值用于疲劳分析，以确定最终的累积使用系数。使用率用于根据Miner的规则确定压力容器的充分性。

2.压力容器设计

1.确定压力容器的形状和类型

图1.典型压力容器的尺寸

2.壳体厚度的确定

圆柱壳厚度

Tc= 309.15 mm,提供的厚度 = 320 mm

对于半球形容器头的厚度

Ts= 165 mm, 厚度 =180mm

对于锥形接头，请遵循 [3] ASME BPVC 2015 Section VIII part 1 Fig UW 13.1. 的说明。

3.ANSYS中的轴对称建模

在分析中选择轴对称平面183元素。

4.设计参数

该属性适用于SA-5083级1级。数据来自[2]ASME

Section- II D Properties (Metric)

表格1。设计参数

压力P	17兆帕
静水压力	23兆帕
工作压力	4.136-15.51兆帕
设计温度	360°摄氏度
工作温度	70- 450F
容许应力S	158兆帕
杨氏模量	171times;103兆帕
泊松比	0.3
密度	7750公斤/立方米
内径	5200毫米
外径	5840毫米

5.网格划分

压力容器的啮合[4]ANSYS。 啮合后的节点总数为8983。

图2。轴对称压力容器的网格模型

3.压力分析

在压力容器上执行压力运行，本运行选择了两种压力设计和静压。 在容器中不同位置的三条路径上执行路径操作。1-1在半球中。2-2是半球形和圆柱壳的交界处，而3-3是圆柱壳的中心。

图3。定义路径

1. 边界条件

该结构分析提供了两个边界条件，也如图所示

• 1. 对称轴上的对称边界条件
  2. 半球对称底线处的位移边界条件

图4。定义的边界条件

1. 设计压力结构分析

在边界条件下，将设计压力施加在容器的内壁上。

图5。Z方向上的应力轮廓

以下是所有三个路径1-1、2-2、3-3中环向应力的线性应力图。

图6。z方向中路径1-1的线性应力曲线。

图7。z方向中路径2-2的线性应力曲线。

图8。z方向中路径3-3的线性应力曲线。

表2。设计压力结构分析的最终结果，并与计算值进行比较

所有应力单位均为MPa

1. 静水压力结构分析

在边界条件下对容器的内壁施加静水压力。

图9。Z方向上的应力轮廓

以下是所有三个路径1-1、2-2、3-3中环向应力的线性应力图。

图10。z方向中路径1-1的线性应力曲线。

图11。z方向2-2路径的线性应力曲线。

图12。z方向中路径3-3的线性应力曲线。

表3静水压力结构分析的最终结果，并与计算值进行比较。

所有单位均为MPa

4.热瞬态分析

1. 寄宿条件

下图显示了容器加热过程中从0到20000秒的瞬时加载。压力变化用虚线表示，温度用深色线表示。

图13。瞬态的加载条件

1. 传热系数计算

使用“传热和传质”数据手册计算垂直表面上自然对流的传热系数。传热系数的计算方法如下[9]：

这些方程式等温表面使用的常数为C = 0.590

= 努谢尔特数

Gr = 格拉索夫数

Pr = 普朗特数

D= 容器直径 (m)

rho;= 密度 (Kg/m3 )

g= 重力加速度 (m/s2 )

Cp= 比热(J/Kg-°C)

micro;= 黏度 (N/m2 -s)

表4负载温度下的热性能

在不同的时间点传热系数（h）的值如下。

表5不同负载条件下的传热系数

1. 热瞬态分析

表6用于热瞬态分析的参数

瞬态热分析的执行时间为0到20000秒，温度随着时间的变化随着负载的变化而变化。

图14节点温度解决方案

1. 热压瞬态分析

热瞬态分析的结果将作为压力和热分析组合的输入。

图15用于热力 压力分析的节点应力解决方案

从这种组合运行的解来看，节点1100是应力峰值重点。 在这个重点上，得到了不同应力sigma;1、sigma;2、sigma;3（sigma;2-sigma;1)、(sigma;3-sigma;2)和(sigma;3-sigma;1）的时程解。

图16应力对于（sigma;2–sigma;1）的时程解

图17应力对于（sigma;3–sigma;2）的时程解

图18 应力对于（sigma;3-sigma;1）的时程解

5.疲劳分析

主要强调W.R.T的图形表示。 在严重节点1100的时间（sigma;3-sigma;1）显示最大的应力范围，因此选择在服役载荷下找到最大交变应力。

1. 范围和交变应力的计算
   • 静水载荷范围

• • 对于组合装载范围

所有应力值，以MPa为单位

1. 材料的S-N曲线

SA 508 3级1级的S-N曲线取自[1] ASME BPVC 2015 Section III A 2015图I-9.5M。

C.修正交变应力的计算

应力集中系数= 1.2（ASME Section VIII Div-2表5.11）

修改后的

弹性模量的影响[ASME section 3,nb3222.4,e,4]

=(195/171)*223.2= 254.5

与静水条件相似

所有应力值均以MPa为单位

D.确定循环数

• • 对于静水工况，sigma;alt= 123.03 MPa从SN曲线N1 = 1584893个循环
  • 对于组合服务载荷，sigma;alt= 254.5 MPa从SN曲线N2 = 39180个循环
  • 静水压力条件下施加的载荷周期= n1 = 15个周期
  • 组合服务加载的应用载荷周期= n2 = 300个周期

E.使用系数的计算

• • U2（用于静水条件）

= n2 / N2 = 15/1584893 = 0.000009

• • U1（用于综合载荷）

= n1 / N1 = 300/39180 = 0.075

6. MINER法的改进

Minerrsquo;s定律由

替换上面给出的值

0.075 0.000009=0.075009

0.075009 le; 1

因此，设计是安全的。

7.结论

• • 本文提供了对ASME典型压力容器进行疲劳分析的方法。
  • 同样，其他瞬变周期（如果有的话）也可以相同的方式包含在内。
  • 应力集中系数是影响疲劳使用系数的最重要因素之一。

External pressure buckling analysis of large pressure vessels

To cite this article: Wenjing Xu 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1303 012019

摘要：在外部屈曲分析中，确定临界屈曲载荷值的大小很重要。本文介绍了一种基于ANSYS有限元方法的压力容器外部压力屈曲分析和确定临界载荷的方法。介绍了特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。在初步选择结构参数并进行合理的结构设计后，使用ANSYS软件建立了合理有效的3D实体模型。建立3D实体模型后，检查设计和液压条件是否必要。这是屈曲分析的前提。通过内部压力强度测试后，将开始外部屈曲分析。通过将特征值屈曲分析与非线性屈曲进行比较，得出1500m³球形储罐的屈曲临界载荷。并且非线性屈曲的值较低。因为非线性屈曲分析考虑了实际结构的缺陷。因此，非线性屈曲分析更适合

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