Abaqus應力線性化-ASME Sec VIII Div 2_壓力容器分析設計

USim

2019年8月27日 18:20

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關于壓力容器分析設計的討論大多是基于ANSYS的應力線性化，而這方面Abaqus的公開資料不多，其實Abaqus早期版本就提供了在CAE界面下進行應力線性化的操作，為方便初學者使用Abaqus進行壓力容器分析設計，這篇文章介紹一下Abaqus應力線性化。

01. 壓力容器分析設計規范

目前最成熟、使用最多的壓力容器規范是由美國機械工程師協會（ASME）的鍋爐及壓力容器委員會（BPVC）制定的，我國的壓力容器相關規范有GB150、JB4732、JB4734等。

壓力容器的分析設計有別于傳統設計，主要是指通過有限元計算來校核壓力容器的設計方法，在ASME的壓力容器規范中是ASME Sec VIII Div 2的部分，相當于我國的JB4732。

分析設計的重要環節是應力線性化，為什么要進行應力線性化呢？其實主要是因為壓力容器的不同類型的故障（失效）模式是由不同類型的應力引起的，所以ASME的研究人員將它們進行了應力分類。

壓力容器的各種失效模式

ASME壓力容器規范的應力分類

如上圖所示，這些應力的類別大致分為三類：一次應力、二次應力和峰值應力，它們分別對應不同的故障模式。

一次應力與總塑性變形（gross plastic deformation）有關；

二次應力（在一次應力的基礎上）與增量塑性坍塌（incremental plastic collapse）有關；

峰值應力（在一次與二次應力的基礎上）與疲勞失效（fatigue failure）有關。

Cyprien-FEA Basics – Stress Linearization explained simply

一次應力又可以細分為一次總體或局部的薄膜應力、一次彎曲應力。應力分類時，需將算得的應力分量分別歸為下面的其中一類：

a.一次總體薄膜應力-Pm;

b.一次局部薄膜應力-Pl;

c.一次彎曲應力-Pb;

d.二次應力-Q;

e.峰值應力-F.

ASME Sec VIII Div 2

如何通過有限元分析得到的6個應力分量（實體單元6個，軸對稱分析時4個）來確定這三類應力呢？下面就介紹一下Abaqus中的應力線性化。

02. Abaqus應力線性化

首先采用實體或軸對稱單元進行壓力容器的靜力分析，然后在后處理模塊的工具欄，找到查詢按鈕，點擊Query-Stress linearization即可對指定的應力分類線（SCL）上的應力進行線性化處理。

1. 依據規范在壓力容器的不同部位制定若干條應力分類線，對每條線上的應力進行單獨分類校核強度；如下圖中的'AA'，可指定分類線的兩個端點，也可選擇已創建好的path作為分類線。

Abaqus應力線性化操作-1

2.在計算選項標簽下，可以指定參與計算的應力分量，一般情況下，當壓力容器只承受內壓可按默認設置；當載荷工況復雜時，建議全部勾選；軸對稱分析的情況下保證Use curvature correction處于勾選狀態。

Abaqus應力線性化操作-2

3.點擊OK，會跳出應力線性化的結果曲線，如下圖，紅色虛線即應力路線上的原始應力分布情況，綠色的是根據靜力等效原理分解出的一次薄膜應力（局部），藍色的是分解出的一次薄膜應力+一次彎曲應力。

應力線性化結果曲線（這里僅展示了S22）

4.找到'AA'應力分類線對應的應力線性化報告linearStress.rpt，打開后即可讀取應力分類結果及其組合情況，再按照ASME Sec VIII Div 2中的許用值規范進行應力強度校核即可。

為了最大限度的保證安全，壓力容器的應力強度校核多采用第三強度理論-即最大剪應力理論，下圖各符號對應ANSYS中的S1/S2/S3/SINT/SEQU，即第一主應力，第二主應力、第三主應力，應力強度、等效應力（米塞斯應力）。

Abaqus應力符號

需要注意的是，采用ANSYS、Abaqus等軟件進行應力線性化時，軟件本身并不能夠幫你判斷哪個部位的應力應該歸為總體應力或局部應力，需要分析人員根據規范，選擇壓力容器上有代表性的區域制定應力分類線（SCL），這里不再展開，詳細內容可查閱ASME規范。

最后，將分類后算得的應力強度與規范中的許用值進行比較，判斷壓力容器的安全性。

應力類別	Abaqus計算	ASME限制
一次總體薄膜應力	Pm	Sm
一次局部薄膜應力	Pl	1.5Sm
一次局部薄膜+一次彎曲應力	Pl＋Pb	1.5Sm
一次+二次應力	Pl＋Pb＋Ｑ	3Sm
總應力（一次+二次+峰值）	Pl＋Pb＋Ｑ＋Ｆ	Sa