|
摘要：本文简述了有限元在压力容器行业应用的现状，对有限元在压力容器行业所解决过的问题进行了总结，介绍了有限元在压力容器设计中的重要性，展望了有限元在压力容器设计中的应用前景。
前言
有限元方法应用于工程实际已经历了很长时间。现在，在各行各业中有限元越来越多的应用促进了产品设计和水平的提高。无论在国际还是在国内，工程师越来越重视有限元的应用。
在我国，有限元应用较广泛的有很多行业，包括：核工业、建筑、军事、航空航天、铁路、石化、造船、通讯、电子行业（尤其是家电和计算机）等。
在压力容器行业，有限元法的采用也越来越受到重视。尤其是在1995年，全国锅炉压力容器标准化技术委员会（原全国压力容器标准化技术委员会）发布了JB4732－1995《钢制压力容器分析设计标准》后，有限元的应用更是上了一个台阶。JB4732和GB150《钢制压力容器》最大的区别是：设计者可以不再受常规设计标准的束缚，可以从结构形式上进行大胆的创新，即使是属于常规设计的范围内的容器，也可以用分析设计的手段来进行设计。这样，可以保证设备更安全，更经济，更适合工艺的要求，可以进行创新设计而不再受常规设计的很多束缚。而进行分析设计的最有效和最实用的工具就是通过有限元应力分析。
一、有限元方法在压力容器行业的应用现状
1. 压力容器的主要特点
结构形式
压力容器主要的结构形式为回转壳，当然最典型的是柱壳（常称为筒体）和球壳（球罐和封头等）。常见的结构主要特点是：开孔、支撑、加强构件等；壳体的厚度远小于壳体的曲率半径；结构不规则；异种材料连接等。
根据其结构形式的主要特点和用途还可以进一部分类为：塔式容器、卧式容器、换热器、球罐等。
载荷形式
1) 压力：这是最重要的载荷形式，包括内压和外压；
2) 热载荷：主要是由于温度梯度引起来的热应力；
3) 力和力矩：设备管道传给设备的外力，附加载荷等
4) 地震：设备的地震也是必须考虑的问题；
5) 风载荷：对于一些塔式容器和球罐，风载荷也是主要考虑的载荷；
6) 雪载荷：对我国北方地区的室外容器；
求解模式
静力，动力，屈曲，疲劳，线弹性，弹塑性，非线性，接触等
2. 有限元在压力容器设计中主要应用
1) 分析设计
由于产品的安全性和经济性的要求，这种应用需求是最广泛的。根据标准的要求，设计者可以借助有限元来解决容器的结构强度、稳定性及寿命（疲劳）的设计问题。
应力容器的分析设计可以归纳为特定结构的分析，下面就简述一下采用有限元应力分析进行设计的各种压力容器的常见结构形式：
a) 各种接管
接管是必不可少的常见结构。由于接管结构所产生的几何不连续以及载荷复杂等因素，必然会产生应力集中，因此接管部件是容器分析设计的主要对象。
下面示意一些常见的接管形式：
图1. 筒体补强接管
图2. 锥体接管
图3. 偏锥接管
压力容器的接管形式远远不止这些，这里列示的仅仅是几种类型。接管的分析是很重要的，对于容器来讲，应力集中通常都发生在接管和母材（筒体、封头、锥体等）相贯部位，往往这里的局部细节设计是设备整体设计的关键所在。而通过有限元的分析，这里的应力分布情况一目了然，这样可以帮助工程师设计出的设备更安全，更经济。
b) 球罐
这类设备的分析主要考虑的载荷是内压、地震、风、雪载荷等，应力集中的部位有支柱和灌体的连接部位、人孔接管等 | 
