01 案例介紹

壓力容器的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，諸如能源，石油化工等行業(yè)。因此，壓力容器的市場也十分巨大。據(jù)統(tǒng)計，我國在2016年壓力容器的市場份額高達(dá)1081.56億元。然而，由于其應(yīng)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(fēng)險，尤其是作為某些特殊設(shè)備時，如核能設(shè)備，這類風(fēng)險會伴隨嚴(yán)重的事故。因此，在其設(shè)計階段需要對其做熱力學(xué)的分析。

本案例對某壓力容器的裂紋做了瞬態(tài)的熱力學(xué)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(nèi)壁上有一層包層來保護(hù)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(xiàn)裂紋。本案例將計算這種瞬態(tài)下容器的溫度場和應(yīng)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(nèi)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(jù)壓力容器的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部與熱源接觸的部分為包層（圖1），外部為結(jié)構(gòu)鋼（圖2），因此，在分析此類特殊結(jié)構(gòu)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(xué)性能，如楊氏模量E，容積熱容量ρcp會隨溫度變化。

在通用結(jié)構(gòu)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(xué)性能。在分析受力部分時，需要考慮壓力容器受熱對其力學(xué)性能產(chǎn)生的影響，因此需要使用熱力耦合的方式進(jìn)行計算。

本案例材料受熱的物理參數(shù)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(nèi)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(dá)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(nèi)增長至88.09MPa，也呈非線性增長。

圖1圖2

03 驗(yàn)證結(jié)果

壓力容器在第8000秒時的受熱狀態(tài)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(guī)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(tài)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(tài)，該狀態(tài)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(tài)。

圖3

壓力容器受由熱源流體導(dǎo)致向外的壓力和向上的拉力。壓力容器受力產(chǎn)生變形，各點(diǎn)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(kuò)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(kuò)展的情況。

圖4

04 結(jié)論

溫度的快速變化會導(dǎo)致材料快速的受熱蠕變，從而引起失效。根據(jù)仿真計算結(jié)果，該工況下的壓力容器需要重點(diǎn)關(guān)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(fēng)險。

---

格物云CAE

一款國產(chǎn)可控云端仿真平臺，結(jié)構(gòu)、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網(wǎng)格導(dǎo)入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應(yīng)用范圍，加速工業(yè)企業(yè)研發(fā)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型。平臺支持云端CAE仿真生成工業(yè)APP，構(gòu)建完全交互式仿真社區(qū)，快速實(shí)現(xiàn)行業(yè)通用經(jīng)驗(yàn)軟件化。

一鍵登錄，開啟仿真！

https://cae365.yuansuan.com

---

更多資訊可登錄格物CAE官方網(wǎng)站

https://cae.yuansuan.cn/

遠(yuǎn)算科技在bilibili、頭條、知乎、技術(shù)鄰定期發(fā)布課程視頻等內(nèi)容

或關(guān)注微信公眾號遠(yuǎn)算云仿真

敬請關(guān)注