SolidWorks 案例研究 | 壓力容器的疲勞分析

JXKJ

2026年2月12日 10:58

概述：

本文將對一個壓力容器進行等幅疲勞分析。該壓力容器同時承受壓力及熱載荷。本文將學習如何定義主導疲勞損壞的S-N曲線，并討論多個載荷事件的交互。此外，本文還將介紹如何正確的解釋疲勞結果。

項目描述：

材料為“7075-T6(SN)鋁合金”的壓力容器將接受疲勞壽命的評估，它將同時承受等幅的應力和熱應力載荷。壓力載荷在0.066~3.3Mpa之間波動，熱應力也會隨著熱流在0~1471.8W/㎡之間變化。

本例的目標是分析該壓力容器在承受200萬次熱力和190萬次壓力載荷后是否失效。

提示：

類似于熱應力分析需要先運行一個熱力分析，疲勞分析必須基于完整的結構研究的結果。由于壓力容器承受周期性的壓力及熱載荷，所以在進行疲勞分析之前，需要先設置運行以下算例：結構靜應力分析、熱力分析及熱應力分析。本文已經提前準備好了這三個案例。

關鍵步驟：

1、簡化模型，由于模型及載荷都是對稱的，可以對模型進行拉伸切除，采用一個楔形部分來進行分析。

2、設置SOLIDWORKS Simulation算例關鍵參數

“Thermal”算例加載了1471.W/㎡的熱流量到壓力容器的內部，在298.15K的環境溫度下，外表面的對流系數為8.830W/(K·㎡)
“Thermal stress”算例運行后，得到從算例“Thermal”獲得的溫度場結果計算出的應力值。
“Static Pressure”算例中，對壓力容器的內表面加載了3.3MPa的壓力。

3、運行熱力算例

4、完成熱力分析后，進行熱應力分析

圖解顯示，壓力容器得熱應力非常高，最大值接近821Mpa，已經超出了材料的屈服極限505Mpa，但我們可以觀察到超出屈服極限的應力位于螺栓頭和螺母的連接部位附近。由于這是假定的螺栓接頭的位置，因此這個部位的應力集中是不真實，將它忽略。容器其他部分由熱引發的應力相對而言很弱小。

5、運行靜態壓力算例

通過圖解我們可以看到壓力容器得熱應力非常高，最大值接近1034Mpa，已經超出了材料的屈服極限505Mpa。同樣我們可以觀察到超出屈服極限的應力位于螺栓頭和螺母的連接部位附近。由于這是假定的螺栓接頭的位置，因此這個部位的應力集中是不真實，將它忽略（這里可能需要對螺栓接頭進行更詳細的仿真）。

6、查看應力結果的細節

縮放視圖至高應力區域，探測這些關鍵區域的數據。遠離應力集中區域的應力都小于材料的屈服極限。對高周疲勞而言，應力必須保持低于材料的屈服極限。

7、創建疲勞分析算例，定義負載為“已定義周期的恒定高低幅度事件”

添加熱應力負載，右鍵單擊【負載】并選擇【添加事件】，在周期中輸入“2000000”。在【負載類型】中選擇【基于零（LR=0）】，這里之所以使用基于零的負載類型，是因為熱載荷分布于0~1471.8W/㎡之間。

添加靜應力負載，在【周期】中輸入“1900000”，【加載比率】輸入“-0.02”，壓力載荷P分布于0.066-3.3Mpa之間。載荷比例與應力比例相似，應力比例的計算公式為R=Smin/Smax，所以載荷比例為LR=Pmin/Pmax=0.066/3.3=0.02。在本疲勞分析實例中，螺栓連接的預緊力作為附加載荷應該考慮進來，因為它會產生局部應力。

8、指定材料

靜態算例中選定的材料屬性會傳遞到疲勞算例中。如果已有材料數據不包含疲勞曲線，則用戶需要自己輸入一條合適的曲線。

9、查看并更改疲勞算例的屬性

右鍵單擊算例名稱，選擇【屬性】。在【疲勞】屬性窗口中，確保【恒定振幅事件交互作用】設定為【隨意交互作用】。更改【計算交替應力的手段】為【應力強度（P1-P3）】，在【平均應力糾正】中選擇【Gerber】，設定【疲勞強度縮減因子（Kf）】為1。這里選擇Gerber平均應力糾正選項是由于材料鋁合金7075-T6的S-N曲線是在R=-1時得出的，而加載事件中至少有一種載荷形式是基于平均應力為0（沒有一個加載事件是對稱循環R=-1）的情況。