一种压力容器的有限边界简化方法与流程

本发明涉及压力容器技术领域，尤其涉及一种压力容器的有限边界简化方法。

背景技术：

在压力容器的设计工作中，设计工程师需要进行的分析、验证工作非常大量，特别是在面临新产品设计和试制的过程中，这些工作更为繁重。传统的分析和验证工作主要是基于设计手册的相关公式和系数，在相当的简化的方式下，进行结构的分析和验证。在如此简化的验算分析下，物理样机是不可避免的，同时方案的反复修改也会产生多个物理样机，在周期和成本上均不可估量。随着计算机的发展，相关有限元的算法亦日趋成熟，在压力容器设计领域，有限元仿真软件的应用也愈来愈广泛。

但是在具体的仿真模拟过程，仍然存在一些问题影响着结果的准确性。影响仿真结果的准确性，材料参数、物理模型的选择，材料参数的设定、边界条件的加载，载荷的确定，求解器的选择，结果的解读等，都会影响着仿真结果的准确性。其中，边界约束条件的选取，既是影响结果的重要因素，也是仿真工程师经验与能力的体现。在已有的研究中尚无有效的边界简化方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供实现对仿真模拟过程中边界约束条件的选取，提高压力容器仿真模拟过程的准确性的一种压力容器的有限元边界简化方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种压力容器的有限边界简化方法，包括以下步骤：

步骤一：根据分析模型结构特点和关心区域，得到分析对象简化模型；

步骤二：基于弹性理论的轴对称应力场得到均压厚壁应力场表达式；

步骤三：获取分析对象简化模型边界的内外径参数、内压参数，基于步骤二中得到的均压厚壁应力场表达式，得到分析对象简化模型边界的简化边界的轴向应力；

步骤四：进行仿真模型的简化边界处理。

可选的，步骤一中，得到分析对象简化模型的步骤包括：

1)将接管与分析模型连接；

2)简化接管与分析模型，得到包含接管边界的分析对象简化模型。

可选的，步骤一中，得到分析对象简化模型的方法为：通过截取部分模型进行简化分析。

可选的，步骤二中，获得均压厚壁应力场表达式的步骤包括：

1)选择极坐标，使分析对象简化模型的边界线与极坐标的坐标系线重合，使弹性理论问题转化为平面轴对称问题，则有：

τrθ＝0。

其中，σr为径向应力，σθ为周向应力，r为半径方向上到圆心的距离，τrθ为垂直半径的平面上沿周向的切应力，φ为艾里应力函数。

分析对象简化模型的边界线在极坐标上，变形前极坐标的扇形微元变形后仍保持扇形，则可得应力分量：

τrθ＝0。

因此，可得平面应力问题的应变分量：

γrθ＝0；

其中，积分常量a、b、c通过边界条件确定，e为材料弹性模量，v为泊松比。

2)均压厚壁圆筒的应力表达

对应于均压厚壁圆筒，在内表面ri＝a处受内压pi，在外表面ro＝b受外压po，因此该均压厚壁圆筒相应的边界条件为：

ri＝a；τrθ＝0

ro＝b；τrθ＝0；

可得均压厚壁圆筒的应力分布表达式：

τrθ＝0；

由于平面应力中轴向应力σz＝0，而平面应变的轴向应力为非零值，因此，均压厚壁应力场表达式为：

可选的，步骤三中，由于接管只受到内压，外压为零，即po＝0，则有：

τrθ＝0；

因此，接管简化边界的轴向应力为：

实施本发明的实施例，具有以下技术效果：

本发明通过对有限元整体模型进行简化，同时充分考虑了实际边界对分析对象的影响，实现了对仿真模拟过程中边界约束条件的选取，提高了压力容器仿真模拟过程的准确性。

另外，本发明解决了在当前压力容器的仿真模拟应用中，容器边界简化不合理的问题，且该方法具有普适性，适用于几何形状是柱形体，且横截面形状沿形心轴z保持不变的工程中，如高压容器、气缸、筒体、转盘等部件，对后续的工程应用具有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明优选实施例1的流程框图；

图2是本发明优选实施例1中阀门壳体与接管连接的边界条件示意图；

图3是本发明优选实施例1中接管的受力分析图；

图4是本发明优选实施例2中压力容器的边界条件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参考图1，本实施例提供了一种压力容器的有限边界简化方法，包括以下步骤：

步骤一：根据分析模型结构特点和关心区域，得到分析对象简化模型，在本实施例中，得到分析对象简化模型的步骤包括：

1)将接管与分析模型连接；

2)简化接管与分析模型，得到包含接管边界的分析对象简化模型。

此时，边界问题便转移到接管上，需要考虑的是接管长度的选取以及接管边界的边界条件；

步骤二：基于弹性理论的轴对称应力场得到均压厚壁应力场表达式；

步骤三：获取接管内外径参数、内压参数，基于步骤二中得到的均压厚壁应力场表达式，得到接管简化边界的轴向应力；

步骤四：进行仿真模型的简化边界处理。

本发明通过对有限元整体模型进行简化，同时充分考虑了实际边界对分析对象的影响，实现了对仿真模拟过程中边界约束条件的选取，提高了压力容器仿真模拟过程的准确性。

参考图2和图3，在阀门壳体的结构仿真分析中，虽然分析的对象是壳体，但是往往不能只对壳体进行仿真分析，因为壳体受到内压后会发生膨胀，会受到来自管道对其产生的约束力，因此，在本实施例中，将接管与壳体放入分析模型中，如图2中所示的a和b边界。

弹性理论问题是一类偏微分方程的边值问题，一旦选取了基本的未知量，得到了相应的定解方程后，每个具体的解例子只是在不同的边界条件下解相同域内的方程。显然，边界条件的制定在问题的解决过程中起着决定性的作用。一般情况下，当物体的边界线与坐标线重合时，边界调节使最简单的，因此，对于本实施例中圆形或环形的接管，选择极坐标更方便，即步骤二中，获得均压厚壁应力场表达式的步骤包括：

1)选择极坐标，使分析对象简化模型的边界线与极坐标的坐标系线重合，由于接管的轴向尺寸比横截面尺寸大的多，可以视为平面问题处理，因此，使弹性理论问题转化为平面轴对称问题，则有：

τrθ＝0。

其中，σr为径向应力，σθ为周向应力，r为半径方向上到圆心的距离，τrθ为垂直半径的平面上沿周向的切应力，φ为艾里应力函数。

分析对象简化模型的边界线在极坐标上，变形前极坐标的扇形微元变形后仍保持扇形，则可得应力分量：

τrθ＝0。

因此，可得平面应力问题的应变分量：

γrθ＝0；

其中，积分常量a、b、c通过边界条件确定，e为材料弹性模量，v为泊松比。

具体的，积分常量为微分方程通解的待定系数，对应的微分方程为轴对称问题应力函数的微分方程，对于本领域普通技术人员来说属于常规技术手段，如，环向闭合的圆域或环域，位移单值条件要求b＝0，对于圆域，为防止圆心r＝0处出现无限大应力，须令a＝0。

2)均压厚壁圆筒的应力表达

对应于均压厚壁圆筒，在内表面ri＝a处受内压pi，在外表面ro＝b受外压po，因此该均压厚壁圆筒相应的边界条件为：

ri＝a；τrθ＝0

ro＝b；τrθ＝0；

可得均压厚壁圆筒的应力分布表达式：

τrθ＝0；

由上述可见均压厚壁圆筒的应力分布表达式和弹性常数无关，因而同时适用两类平面问题，在平面应力中轴向应力σz＝0，而平面应变的轴向应力为非零值，因此，均压厚壁应力场表达式为：

进一步的，在本实施例中，由于接管只受到内压，外压为零，即po＝0，因此，结合步骤二，需要得到步骤三中接管简化边界的轴向应力则有：

τrθ＝0；

因此，接管简化边界的轴向应力为：

其中，本实施例子啊对应阀门壳体的结构仿真分析中，正确的处理两端的管道进出口约束方式应该是在截面上根据内压和管壁内外径来给定轴向应力σz作为处理方式。这样既不会增加整体结构刚度，同时也考虑了接管的变形对阀门的影响。

另外，在其它压力容器中的仿真分析中，对于圆柱形的压力容器主体以及圆柱形的接管，均可通过该方式来进行该边界条件的确定，无需另外连接接管，由此，本领域普通技术人员在基于本技术原理的基础上，可以理解的是，参考图4，在实施本实施例2时，与实施例1的区别在于，步骤一中，得到分析对象简化模型的方法为：通过截取部分模型进行简化分析。

综上，本发明通过对有限元整体模型进行简化，同时充分考虑了实际边界对分析对象的影响，实现了对仿真模拟过程中边界约束条件的选取，提高了压力容器仿真模拟过程的准确性。

另外，本发明解决了在当前压力容器的仿真模拟应用中，容器边界简化不合理的问题，且该方法具有普适性，适用于几何形状是柱形体，且横截面形状沿形心轴z保持不变的工程中，如高压容器、气缸、筒体、转盘等部件，对后续的工程应用具有重要的指导意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。