基于 S h e l l 單元的壓力容器結(jié)構(gòu)安全與性能評價
作者/來源：郭崇志 鄭彬 (華南理工大學(xué)) 日期： 2009-11-26 點(diǎn)擊率：1341
摘要 為了考察在大型薄壁壓力容器結(jié)構(gòu)分析中S h e l l 單元對結(jié)構(gòu)安全評價產(chǎn)生的影響和誤差，對某一工程實(shí)用結(jié)構(gòu)的開孔接管問題，分別應(yīng)用 S h e l l 和 P l a n e單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，然后按應(yīng)力分類準(zhǔn)則對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價。通過數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)了P l a n e單元和實(shí)體 S o l i d單元在結(jié)構(gòu)安全性能評價中的差別，并根據(jù)具體的計算結(jié)果指出了2種單元對于同一個問題評價結(jié)果的不同。 證明采用S h e l l 單元的計算結(jié)果進(jìn)行工程壓力容器結(jié)構(gòu)評價的某些局限性，并且提出了S h e l l 單元所建立的曲面模型的適用條件以及進(jìn)行分析評價的若干原則。
關(guān)鍵詞 S h e l l 單元 壓力容器 結(jié)構(gòu)仿真 A N S Y S軟件 應(yīng)力 安全評價
1 問題的提出
在 A N S Y S大型有限元結(jié)構(gòu)仿真分析軟件中， S h e l l 單元表現(xiàn)出來的性能與 S o l i d實(shí)體單元不同。 由于 S h e l l 單元采用了薄殼理論的中面假定，所以采用殼體的中面來表達(dá)實(shí)際結(jié)構(gòu)，對于應(yīng)力梯度變化緩慢的結(jié)構(gòu)總體區(qū)一般符合薄殼理論的假定，這種表達(dá)方式簡便，精度很高。但是，對于應(yīng)力梯度變化較大的局部結(jié)構(gòu)，尤其是有局部應(yīng)力集中特征的結(jié)構(gòu)，例如焊縫、結(jié)構(gòu)的圓角過渡區(qū)域或者不同幾何特征的結(jié)構(gòu)連接部位等，S h e l l 單元無法準(zhǔn)確表達(dá)，這是由于S h e l l 單元固有的中面假定造成的。 在局部區(qū)域，尤其是在厚度變化 ( 從而使中面表達(dá)產(chǎn)生困難)的大型薄壁容器局部區(qū)和過渡區(qū)， 無論離散化的精度多高，都會出現(xiàn)計算結(jié)果與實(shí)際情況的偏差。而實(shí)體單元如 P l a n e族 ( 二維 )和 S o l i d族 ( 三維)的單元，可以完整地對結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行離散化。當(dāng)單元尺度越來越小時，理論上實(shí)體單元可以嚴(yán)格地逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)形狀，而且在 A N S Y S軟件中，幾乎所有的實(shí)體單元都可以通過軟件操作直接獲得應(yīng)力線性化的結(jié)果，給人們進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分類分析與安全評價提供了極大的方便。因此，在大型薄壁構(gòu)件的有限元分析中，理論上講 ， 為了不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)模擬失真，所有結(jié)構(gòu)離散化都應(yīng)當(dāng)采用 S o l i d單元進(jìn)行。但是，由此對于大型結(jié)構(gòu)離散化將產(chǎn)生大量的單元和復(fù)雜的網(wǎng)格，造成分析計算耗時過長，成本過高。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，大量的工程應(yīng)用事例是采用 S h e l l 單元完成的。
由于A N S Y S結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真分析軟件并沒有直接給出S h e l l 單元的線性化處理功能，直接利用計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計評價和安全評估就遇到很大的閑難，能否利用殼單元的分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)評價就成為實(shí)際工程中人們十分關(guān)注的問題。此外 ，從實(shí)際應(yīng)用的角度看，很多大型壓力容器結(jié)構(gòu)總體區(qū)域的設(shè)計分析理論十分完善，分析中最關(guān)....
