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利用有限元软件对压力容器进行优化设计
史南达 鲍务均 !武汉大学 动力与机械学院，武汉 "#$$%& ’
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【摘要】利用 2+(B(软件对化工行业中经常用到的压力容器进行了有限元分析，分析结果表明
2+(B(强大的计算和仿真功能满足了化工机械行业的需要，具有广阔的应用前景。
关键词：化工机械；压力容器；有限元；静力学分析
【!"#$%&’$】!"#$ %&$ ’( )*$ &’()+",$ ’( 2+(B( )’ -",,. ’/ "/ "/"0.&1& )’+",2& %&1/3 1/ )*$ 4,$&&%,$
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&4&3*#2#
压力容器是化工、石油化工、机械中广泛使用的承压设
备。尽管各类压力容器设备功能各异、结构复杂程度不一，但从
整体上看，一般以薄壁的旋转壳为主要构型，同时又可把整体
分解为筒体、封头、法兰、开孔、接管、支座等部件。这些部件构
型相对比较简单，均具有明显的各自特点，并可以方便地进行
归类分析。在传统的设计中，鉴于压力容器安全问题的重要性，
压力容器的设计往往偏于保守，使得设计的容器又笨重，又浪
费材料，而且使制造成本明显升高，造成了大量的浪费。而且随
着化工设备越来越趋于大型化的设计，这种浪费显得更加令人
婉惜。但是，随着计算机技术水平的飞速发展，使得我们可以得
利用 2+(B(等 A2C软件对其进行有限元分析，对化工机械设
计起到优化设计的作用。
D 压力容器的两种设计方法比较
力容器设计方法有两种，分别对应两种设计规范：
我国的 E1DF$ 采用的是传统的设计方法，称为“按规则设
计”，它的基本思想是并不需要对压力容器的各个部位进行详
细的应力分析，而是结合经典力学理论和经验公式对压力容器
部件的设计做一些规定，如：选材、安全系数、特征尺寸、制造工
艺等都必须满足一定的条件。
另一种更科学更严密的设计规范是 G1"%#&，它采用“分析
设计”方法，要求对压力容器进行应力分析和疲劳分析，由于这
种定量分析结果使结构趋于更合理，因此，用该规范设计的容
器，可以达到较高的许用应力而并不削弱安全裕度。
如前所述，对设计人员而言，按规则设计和按分析设计的
最大区别体现在是否需要对压力容器做应力分析。目前，对结
构做应力分析基本上有三种方法：解析分析、实验分析、数值分
析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷，
实际结构一般都比较复杂，要对它们进行解析分析决非易事，
结构一般要进行简化，而分析人员更要掌握较扎实深厚的力学
理论知识才能完成这一重任。实验方法在其精度上具有无可比
拟的优点，但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时费
力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行最后的强度验
证，不适于在设计过程中采用。实际上最有效、使用也最普遍的
应力分析方法是数值分析方法，通常是指有限元分析方法。
& 有限元分析软件 2+(B(的简介
2+(B(软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的
大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公
司之一的美国 2+(B(开发，它能与多数 A2H软件接口，实现数
据的共享和交换，如 IJA2H等，是现代产品设计中的高级 A2H工具之一。
软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后
处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分
工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结
构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体
动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的
耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析
及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显
示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及
半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计
算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 D$$种以上的
单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
# 应用实例
#P D 问题描述
我们这次要分析的为一个尚处设计过程中的反应器示意
图，如图 D 所示，该反应器两端为球冠形封头，通过两端的法兰
盘与其他管道连接。由于空间的限制，两个支座对称地如图布
置。反应器全长 &DQ$RR0两端法兰盘固定面间距 &DFQRR0容器
中图分类号：MSF0 M)Q 文献标识码：1
%来稿日期：&$$F . $& . $T
文章编号：D$$D . #UU% !&$$F ’$D$ . $$D& . $&
机械设计与制造 第 D$期
. D& . V,W@9-;5<; &$$F年 D$月
第 !"期 史南达等：利用有限元软件对压力容器进行优化设计 # !$ #
内径 %&"’’( 壁厚 &"’’，筒体壁厚均匀，无尖角，截面尺寸如图
& 所示，整个反应容器采用同一种材料制造，参数如下：
设计压力：!")*+ ,工作压力为 -)*+ .
端面受轴向拉力：! / $"01
弹性模量：" / &""2*+
泊松比：# / "3 $
图 ! 反应容器结构简图
$3 & 分析步骤
对于这样的压力容器，我们一般采薄壳模型，壳单元进行分
析，而且是一个静力学分析求解的问题。
$3 &3 !定义单元
选择 45678576+9 4:9;< 类中的 =7+< >?:<@ >&单元。因为在后
来的分析中我们使用的是是对称载荷，所以在单元类型对话框
中选定添加的单元类型并单击 AB5;:?@ 按钮，在 C9D’D?5 EDF
G+HD;:6下拉列表框中选择 IJ;@K’’D56;8项。如图 & 所示。
图 & 单元选项设置对话框
$3 &3 & 定义材料属性
要注意的是因为我们所选的材料是各项同性材料，设定弹
性模量 CL为“&C!!”，泊松比 *MLN为“"3 $”。
$3 &3 $ 建立几何模型
由此建立的三维图形如图 $ 所示：
图 $ 三维模型
$3 &3 O 划分网格
由于在此设计过程中，设计者关心的是应力沿壁厚的分布
规律及大小，所以在校核时只需要分析沿壁厚方向的某个截面
即可。又因为该容器为轴对称结构，内部均匀受压，所以只需要
分析其截面部分即可，而且由于使用三维实体建模后划分网格
对计算机的配置要求极高，而且会占用大量的机时，因此不推荐
使用三维实体划分网格，在本例中只需使用用网格划分工具对
截面进行网格划分，并使用四边形单元进行智能划分。通过使
用该工具可以方便地进行材料设置，网格密度，形状设定和网格
划分及清除工作。
I14N4中提供的这个智能网格划分工具，可以让用户不必
特别设定网格的尺寸，I14N4将自动地根据模型的大小和局部
的不规则区域分配不同的网格。对于网格密度的控制，智能网
格提供了分为 ! # !"的不同密度级别，! 表示最精密，!"表示最
粗糙。选择不同的级别，需要根据求解要求及所有计算机的运
算速度而定。若在智能划分的基础上还在局部指定了单元尺
寸，则 I14N4将首先按照指定的网格密度进行，这避免了智能
划分网格时，局部尖角或圆弧网格过渡细分的情况。网格划分
后的截面如图 O 所示：
图 O 网格显示图
$3 &3 P 施加边界约束和内压载荷
因为该容器内部均匀受压，对称载荷，所以需要对支点加上
绞支约束。且在其内壁施加 !")*+的压力。
$3 &3 Q 求解
选择 )+;? )D?7 R 4:975;:? R 4:9HD R S766D?5 T4 命令即
可完成求解。
$3 &3 % 后处理功能
完成有限元计算以后，实际上您已得到了全部有限元结果，
包括位移、应力、主应力、等效应力等。在这里可显示、打印、分
析，也可以对计算结果做进一步处理，如疲劳分析、应力线性
化。值得一提的是应力线性化功能，实际上分析设计的最终要
求是要对压力容器部件的危险部位做应力分类校核，即沿壁厚
方向最先对应力分量做线性化处理，得到各类应力 !—所谓应
力分类过程。然后对各类应力分别按照“UVO%$&”的规定进行强
度校核，如果所有强度均满足要求，那么分析设计过程即宣告完
成。如图 P所示即为由内壁到外壁的应力分布图。
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轻型 !!"相机有限元分析与设计
周卫国 # 郭崇林 $ 王德禹 #
（#上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 $%%%&%）
（$空间技术研究院 北京空间机电研究所，北京 #%%%’(
!"#"$% %&%’%#$ (#(&)*"* (#+ +%*",# -. -. &",/$ 001 2(’%3(
)*+, -./ 0 123#4 5,+ !6371 0 8/7$4 -9:5 ". 0 ;2#
< #=>6338 3? :@A@8 9B>6/C.>C2B.D+>.@7 @7E F71/7..B/714 =6@716@/ G/@3C371 ,7/A.BH/C;4 =6@716@/ $%%%&%4 !6/7@ I
< $J./K/71 L7HC/C2C. 3? =M@>. N@>6/7. @7E F8.>CB/>/C;4 !6/7.H. 9>@E.O; 3? =M@>. P.>673831;4 J./K/71 #%%%’(4 !6/7@ I
【摘要】依据轻型 !!"相机的 QB3 R F模型，使用大型通用有限元软件 :9=PS9: R Q9PS9:建立
有限元模型，并对有限元模型进行模态分析、准静态分析和正弦冲击分析，根据计算结果对该类型相
机提出新的结构设计。
关键词：!!"相机；有限元；动力分析
【!"#$%&’$】 !"#$% &&’ &()*+( )(’* ", QB3 R F "- ).’*/*’ 01 &.)23%*+ (--"-%(,%*,#",**+",# -.4%5(+*
:9=PS9: R Q9PS9: 6 7%- 4","%* */*)*,% ).’*/ "- (,(/18*’ ", ’1,()"&(/ &.,’"%"., (,’ ,*5 ’*-"#, .4 %$"-
9",’ .4 %12* "- #":*, (&&.+’",# %. %$* +*-3/%6
()* +,%-#. //0 /&1)%&2 3415) )5)1)6$2 0*6&14’&5 &6&5*#4#
中图分类号：+$T#U V$ 文献标识码：J
777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777
%来稿日期：$%%T 0 %# 0 $T
# 引言
轻型 !!"相机作为星载对地观测的仪器，以其体积小、重
量轻、分辨率高等优点获得越来越多的应用，并且成为各国重点
研制的对象 W # X。当前，轻型 !!"相机主要的发展趋势是使轻型
!!" 相机在总体上向着重量轻，体积更小的方向上发展 U 为
文章编号：#%%# 0 &YY’ <$%%Z I%#% 0 %%#T 0 %&
机械设计与制造 第 #%期
0 #T 0 N@>6/7.B; ".H/17 D N@72?@>C2B. $%%Z年 #%月
图 Z 沿壁方向的应力分布图
&U $U V 图形显示功能
下面要讲的图形模块中提供了图形化的路径定义功能，并
在图形环境下完成应力线性化计算，这一功能使应力分类工作
变得非常容易。在完成了网格生成之后，可以立即调用图形功
能查看刚刚生成的网格，如果对网格不太满意，如局部过疏或过
密或某些参数输入有误，则可以再返回参数输入部分，重新修改
某些参数，直到满意为止。除能够显示网格图形之外，9:=[=还
可以显示应力、位移、温度、变形等计算结果的等值线图、着色
图，并具有图形旋转、移动、缩放、单元号和节点号显示、材料号
显示、应力线性化曲线、二维的应力线性化计算等功能，所有图
形均可输出至打印机。
T 结束语
<# I作为大型的通用有限元软件的 9:=[=，已经被国内许多
家大型设计院使用，由于 9:=[=是目前唯一能实现多物理场耦
合分析，通过研究各种因素相互制约影响来真实地模拟实际情
况。从上面的例子中我们就可以发现计算结果与实际十分吻合。
< $ I 9:=[=和其它三维建模软件接口十分丰富，可以把在
其它三维软件建立好的复杂模型直接导过来使用，大大节省了
设计人员把宝贵的时间浪费在建立三维模型上，使其可以更加
专注于优化设计工作。
< & I 9:=[=的处理功能十分强大，而且能以图表的形式甚
至仿真动画的非常形象的表示出来，让设计人员非常方便直观
地获得所需要的反馈信息。
参考文献
#易日 U 使用 9:=[=进行静力学分析 U 北京大学出版社，$%%$U $#Z \ $&VU
$ 王凯 U 卧式容器圆筒应力的校核及调整 U 化工机械出版社，
$%%#U &$T \ &$VU
& 王勖成 U 有限单元法基本原理和数值方法（第 $ 版）U 清华大学出版
社，#YY’U
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