Abaqus应力线性化技术：ASME压力容器分析设计标准解读

关于压力容器分析设计的讨论大多是基于ANSYS的应力线性化，而这方面Abaqus的公开资料不多，其实Abaqus早期版本就提供了在CAE界面下进行应力线性化的操作，为方便初学者使用Abaqus进行压力容器分析设计，这篇文章介绍一下Abaqus应力线性化。
 

01. 压力容器分析设计规范

目前最成熟、使用最多的压力容器规范是由美国机械工程师协会（ASME）的锅炉及压力容器委员会（BPVC）制定的，我国的压力容器相关规范有GB150、JB4732、JB4734等。

压力容器的分析设计有别于传统设计，主要是指通过有限元计算来校核压力容器的设计方法，在ASME的压力容器规范中是ASME Sec VIII Div 2的部分，相当于我国的JB4732。

分析设计的重要环节是应力线性化，为什么要进行应力线性化呢？其实主要是因为压力容器的不同类型的故障（失效）模式是由不同类型的应力引起的，所以ASME的研究人员将它们进行了应力分类。

压力容器的各种失效模式

ASME压力容器规范的应力分类

如上图所示，这些应力的类别大致分为三类：一次应力、二次应力和峰值应力，它们分别对应不同的故障模式。

一次应力与总塑性变形（gross plastic deformation）有关； 二次应力（在一次应力的基础上）与增量塑性坍塌（incremental plastic collapse）有关； 峰值应力（在一次与二次应力的基础上）与疲劳失效（fatigue failure）有关。 Cyprien-FEA Basics – Stress Linearization explained simply

一次应力又可以细分为一次总体或局部的薄膜应力、一次弯曲应力。应力分类时，需将算得的应力分量分别归为下面的其中一类：

a.一次总体薄膜应力-Pm; b.一次局部薄膜应力-Pl; c.一次弯曲应力-Pb; d.二次应力-Q; e.峰值应力-F. ASME Sec VIII Div 2

如何通过有限元分析得到的6个应力分量（实体单元6个，轴对称分析时4个）来确定这三类应力呢？下面就介绍一下Abaqus中的应力线性化。

02. Abaqus应力线性化

首先采用实体或轴对称单元进行压力容器的静力分析，然后在后处理模块的工具栏，找到查询按钮，点击Query-Stress linearization即可对指定的应力分类线（SCL）上的应力进行线性化处理。

1. 依据规范在压力容器的不同部位制定若干条应力分类线，对每条线上的应力进行单独分类校核强度；如下图中的'AA'，可指定分类线的两个端点，也可选择已创建好的path作为分类线。

Abaqus应力线性化操作-1

2.在计算选项标签下，可以指定参与计算的应力分量，一般情况下，当压力容器只承受内压可按默认设置；当载荷工况复杂时，建议全部勾选；轴对称分析的情况下保证Use curvature correction处于勾选状态。

Abaqus应力线性化操作-2

3.点击OK，会跳出应力线性化的结果曲线，如下图，红色虚线即应力路线上的原始应力分布情况，绿色的是根据静力等效原理分解出的一次薄膜应力（局部），蓝色的是分解出的一次薄膜应力+一次弯曲应力。

应力线性化结果曲线（这里仅展示了S22）

4.找到'AA'应力分类线对应的应力线性化报告linearStress.rpt，打开后即可读取应力分类结果及其组合情况，再按照ASME Sec VIII Div 2中的许用值规范进行应力强度校核即可。

   为了最大限度的保证安全，压力容器的应力强度校核多采用第三强度理论-即最大剪应力理论，下图各符号对应ANSYS中的S1/S2/S3/SINT/SEQU，即第一主应力，第二主应力、第三主应力，应力强度、等效应力（米塞斯应力）。
 

Abaqus应力符号

需要注意的是，采用ANSYS、Abaqus等软件进行应力线性化时，软件本身并不能够帮你判断哪个部位的应力应该归为总体应力或局部应力，需要分析人员根据规范，选择压力容器上有代表性的区域制定应力分类线（SCL），这里不再展开，详细内容可查阅ASME规范。

最后，将分类后算得的应力强度与规范中的许用值进行比较，判断压力容器的安全性。

注：上表中Sm为设计许用应力，Sa为SN曲线得到的许用值。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删