abaqus 壓力容器的案例
Abaqus應力線性化-ASME Sec VIII Div 2_壓力容器分析設計
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。
展開 基于ABAQUS壓力容器結構強度分析 ￥5
近期的計劃就是做一些結構仿真的案例供大家學習，本案例主要是在ABAQUS中完成整個壓力容器結構強度仿真分析，通過本案例的學習幾乎可具備使用ABAQUS分析一般的工程應用。下一個案例就是同樣對該壓力容器進行結構強度分析，采用的軟件是Hyperworks+ABAQUS，前處理是在Hyperworks中完成，求解計算在ABAQUS中完成。
掃略網格，旋轉360度，結果：
詳細過程見附件。
Abaqus/WCM纖維纏繞壓力容器建模案例
Abaqus /WCM模塊用于三維纏繞復合材料壓力容器建模，可以準確預測纖維纏繞壓力容器的性能。三維壓力容器模型包括：內襯和纏繞層，如下圖所示。
1.內襯建模，可以通過其它軟件導入，也可以直接在Abaqus中建模。下圖是通過Abaqus直接建模。
2.將內襯導入WCM中
3.纏繞層在WCM中建模
4.在WCM模塊中對三維模型劃分網格，并生成材料特征。
上圖為模型的材料屬性顯示圖，WCM模塊自動根據不同的纏繞角度，給單元賦予不同的材料特征。
來源：有限元在線的博客，版權歸作者所有。
展開 ABAQUS經典案例之斷裂-XFEM壓力容器裂紋擴展（附CAE文件） ￥10
圖1模型
今天，跟大家分享的是壓力容器在內壓作用下的裂紋擴展過程，使用的是XFEM方法，模型如圖1所示。下面詳解每個步驟的設置。
目標：學會XFEM方法的設置及應用。
幾何模型：本案例由兩個部分組成，一個是壓力容器部分，采用導入網格inp形成，另一部分為一個面，作為crack，后續設置XFEM裂紋使用。
材料：定義了線彈性材料steel，彈性模量210000，泊松比0.3。在線彈性基礎上增加最大應力損傷準則及損傷演化準則，如圖2所示，建立Homogeneous solid屬性并賦予給壓力容器part。
圖2材料屬性
分析步設置：創建general static分析步，打開大變形，將增量步長改為0.05，最小增量步長1e-12，最大增量步數改為100，并修改最大迭代次數IA為20，場變量勾選STATUSXFEM選項。
圖3 分析步設置
相互作用設置：在Interaction模塊，建立默認的無摩擦接觸屬性，Special》creat裂紋，Type選擇XFEM方法，如圖4所示，指定接觸屬性。
圖4 裂紋XFEM設置
載荷及邊界條件：壓力容器底面完全約束，容器內壁面施加均布壓力pressure，大小210MPa。
圖5 邊界條件
網格劃分模塊：選用C3D8R單元，建立job，提交分析。求解后，圖6是模型的應力分布云圖！本例由于施加的載荷很大，載荷未施加完，容器已經發生裂紋擴展，導致只能算到0.113就Abort，也就是內壓在23.1MPa時發生擴展。
圖6 應力分布云圖
展開 
壓力容器怎樣選擇壓力表？
一般壓力表以大氣壓力為基準，絕對壓力表以絕對壓力零位為基準，差壓表測量兩個被測壓力之差。
3.壓力表按其測量范圍，分為真空表、壓力真空表、微壓表、低壓表、中壓表及高壓表。
真空表用于測量小于大氣壓力的壓力值，壓力真空表用于測量小于和大于大氣壓力的壓力值，微壓表用于測量小于60000Pa的壓力值，低壓表用于測量0~6MPa壓力值，中壓表用于測量10~60MPa壓力值，高壓表用于測量100MPa以上壓力值。
4.壓力表按其顯示方式分，可分為指針壓力表和數字壓力表。
此外，還有一些特殊用途的壓力表，如：
1)隔膜表所使用的隔離器（化學密封）能通過隔離膜片，將被測介質與儀表隔離，以便測量強腐蝕、高溫、易結晶介質的壓力，如下圖所示：
2)耐振壓力表的殼體制成全密封結構，且在殼體內填充阻尼油（現在大部分用硅油填充），由于其阻尼作用可以使用在工作環境振動或介質壓力（載荷）脈動的測量場所。
3)帶有電觸點控制開關的壓力表可以實現發信號報警或控制功能。
4)帶有遠傳機構的壓力表可以提供工業工程中所需要的電信號（如電阻信號或標準直流電流信號）。
安裝與使用
安裝壓力表時，為便于操作人員觀察，應將壓力表安裝在最醒目的地方，并要有充足的照明，同時要注意避免受輻射熱、低溫及振動的影響。
裝在高處的壓力表應稍微向前傾斜，但傾斜角不要超過30°。壓力表接管應直接與容器本體相接。為了便于卸換和校驗壓力表，壓力表與容器之間應裝設三通旋塞。旋塞應裝在垂直的管段上，并要有開啟標志，以便核對與更換。
蒸汽容器在壓力表與容器之間應裝有存水彎管。盛裝高溫、強腐蝕及凝結性介質的容器，壓力表與容器之間應裝有隔離緩沖裝置。
展開 夾套壓力容器設計壓力的選取
題目：夾套內介質為蒸汽，設計壓力0.5Mpa，內筒及夾套材料均為Q245R，設計溫度150℃。設計溫度下的許用應力為140Mpa，常溫下許用應力為148Mpa。該設備的液壓試驗壓力PT正確的是（ ）。
A.0.66Mpa(內筒)，0.75Mpa (夾套)
B.0.75Mpa(內筒)，0.66Mpa(夾套)
C.0.66Mpa(內筒)，0.66Mpa夾套)
D.0.75Mpa(內筒)，0.75Mpa(夾套)
針對上面的題目，我們來進行延伸講解。
GB/T 150中明確了確定公用元件的計算壓力時，應考慮相鄰室之間的最大壓力差。
中間受壓元件的設計壓力參數，根據以下不同的工況進行選取：
1、內筒常壓，夾套正壓
內筒以夾套設計壓力作為外壓計算的計算壓力；以夾套水壓試驗壓力作為外壓校核的計算壓力。
2、內筒正壓，夾套正壓
非壓差法設計：不能保證任何時候兩側同時受壓
以內筒設計壓力作為計算壓力并確定壁厚；按夾套設計壓力作為外壓計算的計算壓力；以夾套水壓試驗壓力作為外壓校核的計算壓力。
壓差法設計：能保證任何工況下兩側同時受壓
以設計壓差作為中間受壓元件計算壓力并確定壁厚，當內筒壓力比夾套壓力大時，按內壓計算；當內筒壓力比夾套壓力小時，按外壓計算；以夾套水壓試驗壓力作為中間受壓元件外壓校核的計算壓力。
3、內筒真空，夾套正壓
以設計壓差作為中間受壓元件的計算壓力并確定壁厚；按夾套水壓試驗壓力作為外壓校核的計算壓力。
展開 基于ABAQUS軟件，在壓力容器中建立柱坐標系，表征壁厚的非均勻分布 ￥9.9
基于ABAQUS軟件，用殼單元進行波紋管（管道連接件）的建模，在波紋管中心建立柱坐標系，輸入壁厚減薄的公式表征壁厚的非均勻分布。備注：需要提前在場邊量添加STH命令，厚度結果在后處理查看。
什么是外壓容器的穩定性和臨界壓力？內壓容器是否存在穩定性問題？
什么是外壓容器的穩定性和臨界壓力？內壓容器是否存在穩定性問題？
承受外壓載荷的殼體，當外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，或出現波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復原狀，這種現象稱為外壓殼體的屈曲或失穩。
其實質是壁內壓應力由失穩前單純的壓應力狀態突然躍變為失穩時主要是彎曲應力狀態。
容器失去穩定性時的最小外壓力稱為臨界壓力pr，其值越大，表明容器抗失穩能力越強。
對于薄壁容器，只要壁內存在壓應力，就有先穩的可能。穩定問題不僅僅限于外壓容器，內壓容器有時也有穩定問題。例如受重量載荷和風彎矩作用產生軸向壓應力的直立內壓設備及有局部壓應力產生的內壓封頭，以及內壓臥式容器的鞍座處等，均有穩定性問題存在。
展開 壓力容器鋼材選用原則
在壓力容器設計中，正確選用結構材料對于保證容器結構合理，操作安全以及合理的經濟性是至關重要的。
鋼材的選用應根據設備的設計壓力，設計溫度以及介質特性。所選用的材料在設計條件下應具有好的機械性能，耐腐蝕性能，良好的焊接性能以及冷熱加工性能。除此之外，還應選用最經濟的材料，以降低設備成本。
一、化工和石油化工裝置中常用鋼材按它的化學成分和金相組織分類定義如下:
1. 碳素鋼
含錳量小于等于1.2%，含碳量小于等于2.0%，不有意加其它合金元素的鐵碳合金。其中低碳鋼一般是指含碳量小于等于0.25%的碳素鋼。從鋼材可焊性考慮，用于焊接結構受壓元件用鋼的含碳量不應大于0.25%。也就是說，焊接壓力容器用碳素鋼均是低碳鋼。本選材原則中所指碳素鋼均為低碳鋼。
2. 低合金鋼
低合金鋼是低合金高強度鋼和珠光體耐熱鋼的總稱。其中低合金高強度鋼是指以提高鋼材強度和改善綜合性能為主要目的合金含量小3.0%的合金鋼。例如:16MnR，15MnV等。
3. 珠光體耐熱鋼
指以改善鋼材耐熱及抗氫性能為主要目的，加入鉻Cr≤10%，鉬等合金元素的低碳珠光體耐熱鋼。例如: 18MnMoNb ，15CrMo等鋼。
4. 奧氏體不銹鋼
常溫下金相組織大部分為奧氏體的不銹鋼。例如:Cr18Ni9，Cr17Ni12Mo2。
5. 鐵素體不銹鋼
常溫下金相組織大部分為鐵素體的不銹鋼。例如:Cr13A1。
6. 馬氏體不銹鋼
常溫下金相組織大部分為馬氏體的不銹鋼。例如:Cr13。
制造壓力容器的材料應符合GBT 150《鋼制壓力容器》的規定，具體鋼號的使用溫度上限是許用應力表中提供具體許用應力值的最高溫度。國內鋼號和ASME-II相近鋼號的化學成分，常溫機械性能，供貨狀態等見相關標準。
展開 不銹鋼壓力容器的焊接技術
一、 壓力容器用不銹鋼及其焊接特點
所謂不銹鋼是指在鋼中加進一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態，具有不生銹的特性。為達到此目的，其鉻含量必須在12％以上。為進步鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加進能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。
不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。
1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點
奧氏體不銹鋼是應用最廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。
展開 ANSYS workbench 壓力容器分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習壓力容器的三維模型處理
2、學習壓力容器相關的接觸設置
3、學習非線性靜結構分析步的建立
4、學習壓力容器分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 壓力容器分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
?
壓力容器基本結構及制造過程
對于儲存用的容器，這一外殼即為容器本身；對于用于化學反應、傳熱、分離等工藝過程的容器，則須在外殼內裝入工藝所要求的內件，才能構成一個完整的產品。
壓力容器零部件間的焊接
上面介紹了壓力容器外殼的六大組成部件，而各部件間的連接大多需要經過焊接，因而對焊接進行質量控制是整個容器質量體系中極為重要的一環。雖然焊接質量控制還涉及許多焊接工藝過程問題，但設計環節的主要任務是焊接結構設計和確定無損檢測方法、比例及要求。
焊接結構設計涉及接頭的形式 (如對接、搭接、角接)、接頭的坡口形式、幾何尺寸等。由于壓力容器的特殊性，可以說它對焊接質量的要求是所有焊接設備中要求最高的一種。因此，壓力容器設計工程師必須懂得容器中的焊接結構設計的特點及對焊接質量進行檢驗的基本要求。
文章來源：阿斯米
展開 ANSYS workbench 循環對稱壓力容器靜力分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
你會得到什么：
1、學習壓力容器的三維模型處理
2、學習線性靜結構分析步的建立
3、學習壓力容器分析的載荷施加
4、學習壓力容器對稱循環約束的施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 壓力容器分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
?
復合材料終端市場：壓力容器領域
MIKROSAM 公司則聲稱，其客戶即俄羅斯的JSC DPO Plastik公司已將全球最大的生產線用于CNG容器和儲氫罐的生產，每年能夠纏繞6萬個容器。
德國Cevotec公司表示，通過在壓力容器的圓頂區域使用其纖維貼片鋪放（FPP）系統，可以節省20% 的材料和20%的循環時間。Cevotec的CEO 解釋說，為儲存1kg的氫氣，容器中的工作壓力高達700 bar，意味著需要大約10 kg的碳纖維，這是一個非常高的比率。而FPP系統能夠將精心設計的碳纖維貼片精確地應用到在纏繞過程中有時會出現問題的區域，據說，一個FPP系統就能對來自多臺纏繞機的容器進行補強加固。
雖然用于壓縮氣體儲存的大多數IV型壓力容器采用碳纖維作為結構增強，外層采用玻璃纖維來防止損壞，但挪威的Umoe Advanced Composites公司（簡稱UAC）卻在其IV型容器上只使用玻璃纖維。UAC面向天然氣運輸市場而非汽車市場提供200～350bar的容器，并將于2022年將產品組合擴展到含450～500bar的容器。正如UAC的CEO ?yvind Hamre所說，玻璃纖維增強聚合物（GFRP）的容器具有與鋼容器一樣的成本支出，但重量卻降低了70%。而與CFRP 容器相比，雖然GFRP容器要重一些，但卻降低了50%的成本支出。
由玻纖增強復合材料制成的IV型容器要比碳纖維復合材料制成的容器成本更低，比鋼容器更輕質（圖片來自Umoe Advanced Composites）
在眾多市場大展拳腳的儲氫罐
對于挪威的Hexagon Purus公司以及荷蘭的NPROXX 公司（是康明斯公司與美國Cimmaron Composites公司50:50的合資企業，現已被韓國的韓華公司收購。
展開 Ansys在壓力容器行業的典型應用（上）
壓力容器整體強度、剛度分析
輸入條件
壓力容器有關模型及材料數據，接觸連接關系，筒端固定約束，溫度及設計壓力。
仿真流程
結果與效果
?罐體模型更改前后的變形云圖。變形量由19.8mm降低至5mm。
?通過方案分析對比，改進方案消除了較大的異常變形，方案合理。
球罐強度、變形分析
輸入條件
壓力容器三維模型，接觸連接關系，內壓、風、雪載荷。
仿真流程
結果與效果
?定量分析球罐在自重、內壓、風壓、雪壓及地震波共同作用下的應力分布和變形。
?有效預測結構設計中的薄弱環節，作為安全性等性能的評價指標。
外壓容器穩定性分析
輸入條件
幾何模型、外壓
仿真流程
結果與效果
?全模型與1/2 模型計算所得臨界壓力均為1.24MPa ，這是由于在側向外壓作用下，圓筒僅沿圓周方向失穩，軸向對稱面不會影響失穩時非對稱突變。
?采用特征值法可以有效計算其失穩模態。
展開 