3.压力容器的有限元分析
压力容器的不连续区往往是压力容器的高应力区，由于不连续区的几何形状较为复杂，很难用常规的设计方法进行精确求解。
因此，对压力容器不连续区的应力分析通常采用有限元分析方法来进行。
压力容器的结构不连续区通常分为两大类：
总体结构不连续区与局部结构不连续区。
所谓总体结构不连续是指对结构相当大的部分产生影响的应力或者应变源以及容器的几何形状、材料或载荷的不连续。
由于总体结构不连续会引起附加边缘应力，从而对结构造成很大的影响。
所谓局部结构不连续是指对结构相对较小的范围内产生影响的应力或应变源，这种不连续存在于容器的小范围内，虽然对容器的总体部分不会产生太大的影响，但所产生的局部应力也不能忽视。
对于分析力学模型的建模，ANSYS软件自身提供了一套实体建模功能，但是对于一些结构较为复杂的分析对象时，就需要通过专门的CAD软件进行建模。
同时，ANSYS软件也提供了多种接口，可以实现与多种CAD软件文件间的转换，从而可以实现在UG、PRO/E等CAD软件中进行建模，再通过ANSYS软件进行分析，以弥补ANSYS软件自身建模功能的不足。
而对于一般的压力容器由于结构相对简单，故可以直接利用ANSYS软件建模、网格划分及分析求解。
本文以椭圆封头加接管的形式的容器为例利用ANSYS软件进行应力分析。
对于多数长筒型的压力容器来说可基于筒节结构几何的连续性，在不影响结构应力分布的状况下，省去了筒节中部部分尺寸模型，并根据载荷的对称性取模型的二分之一或四分之一进行简化建模。
但是，并非所有情况都可进行简化建模，例如接管处受到轴向扭矩作用时，载荷对模型的作用不存在对称性，这时就必须进行整体建模。
本例为方便处理故只考虑容器的内压作用，并取模型的二分之一进行分析。
另外，采用ANSYS软件的8节点三维实体单元（SOLID45）对力学模型进行六面体网格划分。
同时还需要结构不连续处的网格进行加密，以便得到更准确的计算结果。
三维模型如图1所示，网格划分及加载情况如图2所示，应力分布情况如图3所示。
4.等效线性化处理
如何对有限元计算得到的结果进行应力分类及评定是采用分析设计方法进行设计的关键问题。
根据分析设计方法进行设计时，需要对应力进行分类来进行评定。
因此，为了从总应力中把各类应力区分出来，采用等效线性化方法是进行应力分类的最常用的方法。
同时，随着有限元分析软件的迅速发展，等效线性化处理越来越成为实施弹性应力分析的主要手段。
等效线性化处理方法的基本思想来自材料力学和板壳理论中薄膜应力和弯曲应力沿截面均匀分布和线性及非线性分布的峰值应力理论。
等效线性化方法要求设计者在所考虑结构的几个可能的危险部位指定一些贯穿壁厚的应力分类线，然后根据合力等效和合力矩等效的原理将沿应力分类线分布的弹性计算应力分解出薄膜应力和线性弯曲应力，剩下的非线性分布应力则是一个与平衡外载无关的自平衡力系。
同时，ANSYS等各种有限元软件也已经具备了等效线性化处理功能。
等效线性化处理是区分有限元计算结果中峰值应力的有效手段。
利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析后，可得到压力容器在设计压力作用下各个部位的应力强度。
只要选择合适的校核线进行应力的等效线性化处理，便可以分解出薄膜应力，弯曲应力，薄膜应力加弯曲应力，峰值应力和总应力的数据和曲线，从而可按分析设计规范的强度评定方法进行应力评定。
本文根据上述的压力容器分析实例的受力情况选取校核线进行应力线性化处理,强度评定路线如图如4~5所示。
路线A和E的分类应力曲线分别如图6~7所示。
5.应力分析的参数化
对于压力容器这一类设备来说，其主要结构是由板、壳结构组合而成的，其中大多是存在相似的结构的。
如一般压力容器主要是由筒体、封头、接管、法兰和支架组成。
而在实际工程设计中，设计和分析人员往往需要一些结构相似而具体尺寸或设计压力不同的压力容器进行设计和分析。
利用ANSYS软件进行有限元分析虽然已经为压力容器的分析设计方法带来了许多方便，但是对于不同的模型还是需要从建模开始从新进行有限元分析各个分析和线性化处理过程。
所以在压力容器的分析单位中就存在着大量重复单一的工作，从而阻碍了分析效率的提高。
因此，我们有必要考虑对这些相似结构的分析设计过程采用参数化设计的方式来实现，以提高分析设计工作的效率。
而ANSYS软件的APDL语言为压力容器的参数化分析的实现提供了可能。
APDL（ANSYSParametricDesignLanguage）是ANSYS有限元系统内嵌的命令流式程序设计语言，是一种类似FORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的功能，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等。
APDL扩展了传统有限元分析的范围，并开发了更高级运算包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和设计优化等。
同时APDL具有如下优点：
（1） 减少大量的重复工作，特别适用于经少许修改后需要多次重复计算的场合，可为设计人员节省大量的时间。
（2） 文件数据量小，便于保存和携带，其数据量仅为GUI数据文件的千分之一。
（3） 不受ANSYS软件的版本和系统操作平台的限制，编辑方便。
（4） 利用APDL可以编写一些常用命令的集合即宏命令。
利用ANSYS软件的APDL语言实现压力容器的参数化分析，首先就需要通过参数化方式建模。
参数化建模是通过结构几何特征数据，快速构造和修改产品的造型方法，是实现设计、分析自动化的前提，适用于基本结构形状相同，但特征参数要求可变的系列产品建模与分析。
采用参数化模型，设计人员只需根据工程具体要求，修改有关设计参数，即可获得相应的设计和分析结果。
在具体操作上，通常我们以通过GUI过程进行有限元分析时自动生成命令流为基础，对相关的设计变量进行参数化替换，并进行相应的编程和处理，最终得到文本形式的参数化模型。
当利用ANSYS软件读入该文本时，便可通过程序中预先设置的对话窗口输入压力容器模型的相关设计参数，如图8所示。
图8输入设计参数的对话窗口
输入相应的设计参数后，ANSYS软件便会自动对压力容器模型进行建模、网格划分、施加边界条件（约束、压力）、计算求解和后处理。
如图9~11所示。
结束语
本文以有限元分析方法的应用为主题，首先论述了压力容器分析设计方法的应力分类、有限元分析及等效线性化处理和应力评定准则，然后以压力容器典型的工程实例进行有限元分析，对分析结果进行等效线性化处理，提取局部簿膜应力、弯曲应力等参数，以《JB4732一95,钢制压力容器一分析设计标准（2005确认）》中的评定准则对各类应力进行评定。
同时，介绍了采用ANSYS软件的APDL语言进行参数化有限元分析的方法，并以典型的压力容器为例，实现了APDL参数化分析压力容器分析中的应用。
本文将理论和工程应用实践紧密结合，对压力容器的分析设计方法进行了比较详细的介绍。
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