基于ANSYS Workbench的真空管道屈曲分析

　　利用ANSYS Workbench 對(duì)某裝置中設(shè)計(jì)的真空管道進(jìn)行了屈曲分析，并把有限元分析結(jié)果和解析法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元屈曲分析的可靠性。同時(shí)，提出真空管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行校核。計(jì)算結(jié)果表明：通過(guò)合理設(shè)置加強(qiáng)圈，既能有效提高真空管道抗外壓失穩(wěn)能力，又能減輕管道重量，從而顯著降低制造成本。

　　大型真空管道為薄壁結(jié)構(gòu)件，其主要失效形式不是強(qiáng)度失效而是失穩(wěn)失效。所謂的壓力容器失穩(wěn)是指壓力容器所承受的載荷超過(guò)某一臨界值時(shí)突然失去原有幾何形狀的現(xiàn)象。研究外壓容器穩(wěn)定性的目的在于研究容器的臨界壓力及相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài)，以改進(jìn)加強(qiáng)措施，提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力。由于外壓容器很難進(jìn)行外壓試驗(yàn)，直接考核大型外壓容器承受外壓時(shí)的穩(wěn)定性是不現(xiàn)實(shí)的，因此大型外壓容器的穩(wěn)定性計(jì)算往往多采用理論或有限元分析方法。

　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，在壓力容器的屈曲穩(wěn)定分析中有著廣泛的應(yīng)用，它提供了兩種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)屈曲臨界載荷和屈曲模態(tài)的技術(shù)，一種是特征值屈曲分析，可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)屈曲形狀，得到失穩(wěn)臨界載荷的上限。另一種是非線性屈曲(包括幾何非線性和幾何及材料雙非線性)分析。使用非線性技術(shù)，模型中就可以包括諸如初始缺陷、塑性行為、間隙、大變形響應(yīng)等特征，因此，非線性屈曲分析更接近工程實(shí)際的真實(shí)情況。

　　本文利用特征值屈曲分析和非線性屈曲分析方法，對(duì)某裝置中設(shè)計(jì)的真空管道進(jìn)行屈曲分析，并把有限元分析結(jié)果和解析法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出真空管道穩(wěn)定性的分析結(jié)論。同時(shí)，提出真空管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為提高真空管道安全性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性提供了依據(jù)。

　　3、真空管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　在既定直徑與材料條件下，提高外壓容器的臨界壓力，可通過(guò)增加筒體厚度或減小計(jì)算長(zhǎng)度方法。從減輕容器重量、節(jié)約成本出發(fā)，減小計(jì)算長(zhǎng)度更有利，在結(jié)構(gòu)上即是在圓筒的內(nèi)部或外部相隔一定的距離上設(shè)置加強(qiáng)圈。

　　真空管道可通過(guò)合理設(shè)置加強(qiáng)圈數(shù)量及位置來(lái)減小壁厚，使其重量在滿足穩(wěn)定性條件下得到優(yōu)化。經(jīng)反復(fù)計(jì)算比較后，優(yōu)化后真空管道設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 筒體壁厚δ=10mm ， 外加強(qiáng)圈為高度H=100mm ，厚度B=16mm 的扁鋼，數(shù)量N=3，加強(qiáng)圈沿筒體軸向等距均布，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 筒體帶加強(qiáng)圈優(yōu)化后結(jié)構(gòu)示意圖

　　有限元分析中，非線性屈曲分析更接近工程實(shí)際的真實(shí)情況。因此采用非線性屈曲分析對(duì)帶加強(qiáng)圈真空管道進(jìn)行穩(wěn)定性校核。得出真空管道臨界壓力Pcr=0.4407MPa，根據(jù)式(1)計(jì)算可得，其許用應(yīng)力[p]=0.147MPa>0.1MPa，因此滿足穩(wěn)定性要求。真空管道優(yōu)化設(shè)計(jì)后重量對(duì)比結(jié)果如表2 所示，優(yōu)化后重量比原設(shè)計(jì)方案顯著減小。

表2 真空管道優(yōu)化前后重量對(duì)比

　　4、結(jié)論

　　(1)三種分析結(jié)果中，特征值法分析結(jié)果較大，非線性屈曲分析結(jié)果較小，更接近解析法分析結(jié)果。因此，從設(shè)備安全使用方面考慮，特征值法不建議直接用于工程實(shí)際。工程上采用特征值法分析的結(jié)果乘以一定的折算系數(shù)，來(lái)替代非線性屈曲分析，從而得到相對(duì)保守的結(jié)果也是可以的。

　　(2)在真空管道設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)設(shè)置加強(qiáng)圈的方法來(lái)提高其臨界壓力，既能提高其穩(wěn)定性，又能減輕整體重量，從而有效降低制造成本。