01 案例介紹

壓力容器的應用領域十分廣泛，諸如能源，石油化工等行業。因此，壓力容器的市場也十分巨大。據統計，我國在2016年壓力容器的市場份額高達1081.56億元。然而，由于其應用場景多為易燃易爆物品的儲存，因此其常常伴隨泄露、爆炸、開裂等風險，尤其是作為某些特殊設備時，如核能設備，這類風險會伴隨嚴重的事故。因此，在其設計階段需要對其做熱力學的分析。

本案例對某壓力容器的裂紋做了瞬態的熱力學耦合分析。本案例所采用的容器為軸對稱的圓柱體，因此可以將該圖形簡化成二維平面。案例的內壁上有一層包層來保護金屬底座。在此計算中，容器遇到冷沖擊，在包層和金屬層的邊界處出現裂紋。本案例將計算這種瞬態下容器的溫度場和應力場。

02 問題描述

 

本案例主要模擬了存在裂紋的壓力容器在受熱和內部壓力的情況下，熱傳遞的情況，以及裂紋演變的情況。

特殊的是，根據壓力容器的結構，其內部與熱源接觸的部分為包層（圖1），外部為結構鋼（圖2），因此，在分析此類特殊結構時需要將兩種材料分開定義。

此外，本次仿真最終會給出壓力容器從室溫到受熱升溫的整個過程，因此材料的力學性能，如楊氏模量E，容積熱容量ρcp會隨溫度變化。

在通用結構仿真軟件中，可以通過定義Function的形式定義不同溫度下材料的力學性能。在分析受力部分時，需要考慮壓力容器受熱對其力學性能產生的影響，因此需要使用熱力耦合的方式進行計算。

本案例材料受熱的物理參數呈非線性變化，熱源也呈非線性，模擬了0到8000秒過程中的溫度變化（7到50攝氏度）。在第51秒時突然加入50攝氏度的熱源。此外，容器受到內部壓力和Y軸正方向的拉力,初始壓力為1.188MPa，到20秒時壓力達到最大，為19.188MPa，并呈非線性增長。Y方向的拉力從初始的5.45MPa，在20秒內增長至88.09MPa，也呈非線性增長。

圖1

圖2

03 驗證結果

 

壓力容器在第8000秒時的受熱狀態為：溫度最高的部位位于包層與熱源接觸的部位，為50攝氏度，溫度最低的部位為金屬最外圈，為48.3攝氏度。熱量從包層逐漸傳遞到金屬部分，符合傳熱的規律。為了觀察裂紋部分的受熱情況，本仿真計算裂紋某處在各個瞬態下的溫度：在0到600秒時溫度變化最快，之后溫度變化逐漸減慢。

圖三展示了壓力容器在第8000秒時的受熱狀態，該狀態顯示溫度最高處位于包層，溫度最低處位于金屬外圍。但二者溫度相差不大，這表明在第8000秒時處于較為平衡的狀態。

圖3

壓力容器受由熱源流體導致向外的壓力和向上的拉力。壓力容器受力產生變形，各點變形量一致，均為3.2mm。開裂處受拉力、壓力影響，其裂紋逐漸向拉力方向呈圓弧狀擴展。此外，本案例還考慮了開裂處瞬時的能量釋放率。圖四展示了壓力容器的變形情況以及裂紋擴展的情況。

圖4

04 結論

 

溫度的快速變化會導致材料快速的受熱蠕變，從而引起失效。根據仿真計算結果，該工況下的壓力容器需要重點關注上述時間段的受力情況。同時，仿真計算過程也考慮了開裂處瞬時的能量釋放率，通過比較此時的極限能量釋放率，可判斷壓力容器是否存在風險。

文章來源：遠算云仿真