基于 S h e l l 單元的壓力容器結構安全與性能評價
作者/來源：郭崇志 鄭彬 (華南理工大學) 日期： 2009-11-26 點擊率：1407
摘要 為了考察在大型薄壁壓力容器結構分析中S h e l l 單元對結構安全評價產(chǎn)生的影響和誤差，對某一工程實用結構的開孔接管問題，分別應用 S h e l l 和 P l a n e單元進行結構建模，然后按應力分類準則對結構的安全性進行評價。通過數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)了P l a n e單元和實體 S o l i d單元在結構安全性能評價中的差別，并根據(jù)具體的計算結果指出了2種單元對于同一個問題評價結果的不同。 證明采用S h e l l 單元的計算結果進行工程壓力容器結構評價的某些局限性，并且提出了S h e l l 單元所建立的曲面模型的適用條件以及進行分析評價的若干原則。
關鍵詞 S h e l l 單元 壓力容器 結構仿真 A N S Y S軟件 應力 安全評價
1 問題的提出
在 A N S Y S大型有限元結構仿真分析軟件中， S h e l l 單元表現(xiàn)出來的性能與 S o l i d實體單元不同。 由于 S h e l l 單元采用了薄殼理論的中面假定，所以采用殼體的中面來表達實際結構，對于應力梯度變化緩慢的結構總體區(qū)一般符合薄殼理論的假定，這種表達方式簡便，精度很高。但是，對于應力梯度變化較大的局部結構，尤其是有局部應力集中特征的結構，例如焊縫、結構的圓角過渡區(qū)域或者不同幾何特征的結構連接部位等，S h e l l 單元無法準確表達，這是由于S h e l l 單元固有的中面假定造成的。 在局部區(qū)域，尤其是在厚度變化 ( 從而使中面表達產(chǎn)生困難)的大型薄壁容器局部區(qū)和過渡區(qū)， 無論離散化的精度多高，都會出現(xiàn)計算結果與實際情況的偏差。而實體單元如 P l a n e族 ( 二維 )和 S o l i d族 ( 三維)的單元，可以完整地對結構局部進行離散化。當單元尺度越來越小時，理論上實體單元可以嚴格地逼近真實的結構形狀，而且在 A N S Y S軟件中，幾乎所有的實體單元都可以通過軟件操作直接獲得應力線性化的結果，給人們進行結構應力分類分析與安全評價提供了極大的方便。因此，在大型薄壁構件的有限元分析中，理論上講 ， 為了不產(chǎn)生結構模擬失真，所有結構離散化都應當采用 S o l i d單元進行。但是，由此對于大型結構離散化將產(chǎn)生大量的單元和復雜的網(wǎng)格，造成分析計算耗時過長，成本過高。因此，在實際應用中，大量的工程應用事例是采用 S h e l l 單元完成的。
由于A N S Y S結構數(shù)值仿真分析軟件并沒有直接給出S h e l l 單元的線性化處理功能，直接利用計算結果進行設計評價和安全評估就遇到很大的閑難，能否利用殼單元的分析結果進行結構評價就成為實際工程中人們十分關注的問題。此外 ，從實際應用的角度看，很多大型壓力容器結構總體區(qū)域的設計分析理論十分完善，分析中最關....
