的再生结构小巧价廉，耐压215M Pa，并作10次以上再生实验，密封可靠。 (4)热管端部设滞留段，占管长的5%，足以延缓不凝气在运转中的不良影响。
在该装置中我们采用了第二种方式，在蒸馏水中配一定量的以铬酸盐为主体的缓蚀剂及其它抗氧化剂。
312 解决翅片积灰和低温露点腐蚀问题 热管管束间安装吹灰器，热管的布置与锅炉管一样，管束按长方形排列，以利于吹灰。 设计采用了“热保温箱”方式，即在预热器壳体外进行保温，以避免壳体金属温度过低而加速腐蚀，在含有露点的气体换热过程中，可以巧妙地利用调整热管两侧的翅片间距使管壁温度保持在气体结露温度以上，避免因露点腐蚀引起的管壁穿孔问题。 4 结束语
该热管换热器设计、制造和应用较为成功，达到了节能降耗的目的。实际应用和测算结果均表明，按每天两班制、年工作300天计，一年就可收回全部投资。
参 考 文 献
1 李亭寒，华诚生等.热管设计与应用.北京：化学工业出版社,1987.
2 庄骏，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器.上海：上海交通大学出版社,1989.
3 马同泽，侯增祺，吴文锐.热管.北京：科学出版社,1983. 4 庄骏，张红.2001年热管技术展望.化工机械,1998,25
(1):44～49
5 庄骏，杨学忠.热管技术的应用研究.石油化工设备, 1992,21(2):17～22
(收稿日期:2001211208)
龚曙光3
(湖南省湘潭大学机械工程学院)
摘 要 分析设计是工程与力学结合的产物，也是压力容器设计方法和手段的更新。本文介绍了AN SYS软件中的应力线性化原理和热—结构耦合计算在压力容器分析设计中的应用，阐述了其分析应用过程，并完成了一个立式贮罐的应力分析设计。
关键词 应力分析设计 AN SYS软件 压力容器 应力分类 有限元方法
1 引言
压力容器是化工、石油化工、机械、核工业、航天、轻工、食品、制药等多种工业中广泛使用的承压设备。目前压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的“规则设计”(D esign by R u le)和基于塑性失效准则的“分析设计”(D esign by A nalysis)。其中分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，它不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题，而且代表了近代设计的先进水平。我国分析设计规范是在美国A S M E锅炉及受压容器规范第八卷
3龚曙光，男,1965年2月生，硕士，副教授。湘潭市,411105。
第2分篇的基础上建立起来的，并于1995年在全国开始实施(见文献[1])。
AN SYS公司于1970年由John Sw an son 博士创建，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，开发的AN SYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用于机械、交通、军工、电子、生物医学、水利、石油化工、能源、航空航天等许多领域(文献[2])。30年来AN SYS软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式的加入，简化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析，减少了应力分析设计时间，缩短了设计周期。
本文介绍了如何利用AN SYS软件中的应力线性化原理和热—结构耦合计算，在压力容器应力分析设计中的应用和操作过程，并完成了一个立式贮罐的应力分析设计，可供同行参考。
2 基于应力的设计过程
茜草长江大桥 塑性理论指出，由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是不同的。根据等安全裕度原则，危险性较小的应力可以比危险性较大的应力取更高的许用应力强度值。同时，由板壳理论或弹性力学求解出的应力，根据产生应力的原因和导出应力的方法可分为三类共五种，即一次总体薄膜应力(P m)、一次局部薄膜应力(P L)、一次弯曲应力(P b)、二次应力(Q)和峰值应力(F)。对其各自的作用机理和应力强度极限可参考文献[1]。
在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器部件设计所关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。而基于弹性力学理论的有限元分析方法，是一种对结构进行离散化后再求解的方法。即它计算出来的是结构离散化后结点的应力值。为了获得所选“校核线”上的应力分布规律及大小，就必须对结点上的应力值进行后处理，即应力分类。目前应力分类的方法有多种，文献[3]对三种应力分类方法的原理进行了比较。根据对所选“校核线”上的应力进行分类，得出各类应力的值，若满足强度要求，则所设计容器是安全的。
3 ANS Y S软件的使用
AN SYS软件与任何一个有限元软件一样，其分析计算过程包括建立模型、施加载荷、求解计算、数据后处理。限于篇幅，本文仅介绍在应力分析设计中使用较多的线性化原理和热—结构耦合的操作。AN SYS软件求解分析过程的操作可参考AN SYS软件所附带的工作手册。
311 应力线性化分类
应力线性化分类原理及计算公式可参考文献[3][4]，下面主要介绍在完成有限元分析计算后，如何使用线性化原理得出所考虑“校核线”上的应力分类值。
在AN SYS软件的后处理器(General Po stp rocesso r)中，用户要查看结点或单元的计算结果，有三种方法可以实现。即:(1)用等值线(Con tou r P lo t)的方式(包括彩云图或等值线);(2)采用向量方式(V ecto r P lo t);(3)采用文本文件的方式(可以显示或保存)。同时，该软件也可以用图示或列表方式来显示用户所定义截面(AN SYS称为路径操作——Path Operati on)上结点计算结果的分布。线性化原理的操作主要是应用在用户所定义的截面上。其相应的操作命令流程图如图1所示。
路径定义(D efine Path)的菜单如图2所示。用户可以通过单元的结点(B y N odes)、在当前工作平面(O n W o rk ing P lane)上指定的点和通过点的实际坐标值(B y L ocati on)等三种方式来定义路径。由于在应力分析设计中，所考虑的校核线一般是在容器壁厚，若结构采用
M ain M enu
主菜单
→
General Po stp roc
后处理
→
Path
Operati on
路径操作
→
→
D efine Path
定义路径
→→
→
L inearized Strs
现代优化计算方法
图示方式花龄盛会
L ist L inearized
文本方式
图1 操作流程图
映射方式(M apped )划分单元，则离散单元比较规则，采用单元结点方式定义路径既快又简单。若采用自由方式(F ree )划分单元，某些地方的单元可能不规则，则必须采用其他两种方式，但所得结果是通过对与定义路径相近的结点或单元计算结果值进行外插值而得到，该结果可能存在一定的偏差。建议在应力分析设计中，要尽力采用映射方式划分结构单元，以保证所得结果的精确度。同时在定义路
径时，要给所定义的路径指定一个名称，不同的路径最好采用不同的名称。该路径名在用户退出后处理器后，将会自行取消。
图2 定义路径的菜单
在定义路径后，退出路径定义菜单，回到路径操作(Path Operati on )菜单下，选择R ecall Path 项，
将出现一个对话框，用户可以在该对
话框中指定要对哪个路径进行操作。在确定好路径(或校核线)后，就可以对该路径上结点的计算结果进行线性化处理。才利民
罗尔定理
在图示方式(L inearized Strs )中，每次只能显示一个应力分量的线性化结果。通过图示方式，用户可以看到某“校核线”上每个应力分量在线性化后，其应力分类包括薄膜应力(M em b rane )、薄膜应力+弯曲应力(M em b rane +B end )和总应力(To tal )的大小和分布规律，如图6所示。在列表方式上，用户可以在一个文本编辑窗口看到当前指定路径上的6个应力分量和3个主应力的线性化应力分类结果，并允许用户用文本文件的方式保存。 312 热—结构耦合
按照文献[5]的建议，在应力计算中，应分别计算由外载荷引起的机械应力和由温差引起的热应力，原因是热应力全部属于自限应力。 AN SYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各结点的温度，并导出其它热物理参数(文献[2])，它包括稳态传热和瞬态传热分析。由于大多数压力容器在运行过程中，其温度的变化相对稳定，在计算其热应力时，只要利用稳态热分析即可。其分析步骤包括:(1)前处理，建模;(2)施加载荷，求解计算，并将计算结果写入3.rth 文件中;(3)后处理，用彩云图或等值线显示结构的温度分布。具体细节可参考文献[6]。
AN SYS 提供三种热应力分析方法即直接法、间接法和在结构应力分析中直接定义结点温度等，由于
结点的温度事先不知道，第三种方法不能使用，根据上面的分析，可采用第二种方法即间接法进行热应力计算，即首先进行热分析，然后将求得的结点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。其操作步骤为:(1)完成热分析;(2)重新进入前处理(P rep rocesso r )，转换单元类型(Sw itch E lem en t T ype )，设置结构分析中的材料属性;(3)施加结点温度载荷(L oad A pp ly )，读入热分析(F rom T her m al A nalysis )的结果文件(31rth )，并设置参考温
度(R eference T em p .)，完成计算(So lve );(4)后处理(General Po stp rocesso r )，显示结点的
↓热分析过程
↓
M ain M enu 主菜单→P rep rocesso r 前处理：定义单元类型、建模、定义导热系数、划分单元。→So luti on 求解：定义分析类型、施加温度载荷、输出控制、求解生成3.rth 文件。→General Po stp roc
后处理:
显示结构的温度分布，捕捉温度等值线图。
→重新进入
P rep rocesso r 前处理：转换单元类型、设置材料的属性及处理细节。
→So luti on 求解：设置边界约束、设定参考温度、从文件(3.rth )读入结点温度。→
General Po stp roc 后处理：显示结点应
力分布，定义校核线、应力线性化分类。
↑↑佳能960
热—结构耦合过程
图3 热应力分析流程图
应力分布，对校核线上的应力进行线性化处理,
得到所要的数据结果。
热应力分析的流程图如图3所示。4 实例分析
图4所示为某企业设计的 700立式贮罐，其中手孔直径88mm ，材料为16M nR ，设计压力为1315M Pa ，工作压力为1213M Pa ，弹性模量为201GPa ，泊松比为013，热膨胀系数为110098×10-5℃-1，导热系数为41153776
W
(m K )，壳内温度为50℃，传热膜系数为1419796W
(m 2 K )，壳外温度为-111℃，传热膜系数为518464W
(m 2 K )，许用应力为161M Pa ，对该容器进行应力分析设计。
图4 立式贮罐
由于篇幅有限，本文仅考虑对贮罐上半部即手孔—封头—筒体进行分析设计，根据其结构情况，上端结构的分析模型和在壁厚方向的“校核线”如图5所示。对图5模型共划分了273个8结点等参单元和92
4个结点。在完成
有限元分析计算，所得计算结果满足给定的精
度要求后，应用AN SYS 的线性化原理，分别在工作压力和设计压力状态下对校核线上的应力进行分类，其分类结果如表1所示。利用线性化原理对A -A 校核线在设计载荷作用下，应力分量Ρx 进行应力分类，分类后应力的大小分布规律如图6所示。
图5 贮罐上端结构分析模型
利用AN SYS 的热—结构耦合原理对贮罐
进行热应力分析。按照本文312的计算步骤完成热分析后，可得到结构离散化后结点的温度
图6 A-A校核线上的应力分布规律 表1 各校核线上应力分类结果
编号设计条件 M Pa工作条件 M Pa P L P L+P b P L+P b+Q
A6311111016112160 B5818774107771024 C11913153141601
55 D1541822712301114
E1381217418245155
F1371214811138170
G1341815315142142
H1081112713128161
I1281013916146149
许用应力2411524115483
等值线分布，如图7所示。其后接着可进行热应力分析。在完成热应力分析后，就可以对校核线上结点的计算结果，利用线性化原理完成其应力分类。表2所示为A-A校核线在工作压力下的应力与热应力的计算结果。
对于贮罐侧面节管的评定，可采用 表2 外载荷应力与热应力计算结果(单位:M Pa)
应力评定P L+P b+Q
应力分量ΡxΡyΡzΣxy
工作载荷-12173-771422915621171
温度载荷010*******-01687-01084
应力总和-121730-771090281873211626
主应力
Ρ1Ρ2Ρ3 281873-6109-83173
应力强度11216
图7 结构温度等值线分布
AN SYS的三维有限元分析，其分析过程与本文311所述相似。也可参考W RC B u lletin N o. 107的方法来进行。限于篇幅，这里不再叙述。
5 结束语
随着计算机技术的发展，现代设计方法和手段都在不断的更新，利用应力分析完成压力容器的设计，只是其中的一个缩影。本文就是对作者在从事压力容器分析设计过程中的一个总结，希望对从事
压力容器设计和制造的企业有所帮助。
参 考 文 献
1 全国压力容器标准化技术委员会.JB4732—95钢制压力容器——分析设计标准.
2 王国强主编.实用工程数值模拟技术及其在AN SYS上的实践.西安：西北工业大学出版社,2000.
3 龚曙光，谢桂兰.压力容器分析设计中的应力分类方法.
化工装备技术,2000,21(3):27～31
4 AN SYS T heo ry R eference.N inth Editi on.SA S IP,Inc.
1997.
5 全国压力容器标准化技术委员会.JB4732—95钢制压力容器——分析设计标准释义.
6 AN SYS T her m alA nalysis Guide,R elease5.4,000858.
Second Editi on.SA S IP,Inc.1997.
7 AN SYS Coup led2F ield A nalysis Guide,R elease5.4, 000861.Second Editi on.SA S IP,Inc.1997.
(收稿日期:2001211219)
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