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意地改变载荷的大小，从而较容易地找出容器在强度范围内所能承受的最大载荷、容器强度的薄弱环节和整个容器的应力分布规律。(6)计算结果能够实现可视化，可直观的看到各向视图、云图、等值线图等，并有应力、位移曲线分布图自动生成功能。
4.2 ANSYS软件介绍
4.2.1起源与应用
ANSYS公司于1970年由John Swanson博士创建，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，开发的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用于机械、交通、军工、电子、生物医学、水利、石油化工、能源、航空航天等许多领域。30年来ANSYS软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式的加入，简化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析，减少了应力分析设计时间，缩短了设计周期。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
在现代化的石油机械与压力容器设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争要求石油机械与压力容器设备的性能指标大幅度提高，而ANSYS这样的CAE工具，在许多方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。ANSYS软件是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推广使用。
近十年来，已经有近百不同版本的ANSYS软件在压力容器行业发挥着巨大作用。使ANSYS在压力容器行业占据了国内95％以上的市场份额，成为压力容器分析设计的事实上的标准。ANSYS为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作，为提高我国压力容器的分析设计水平作出了巨大的贡献。 4.2.2 ANSYS软件功能简介
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、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可
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将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 4.2.3有限单元法简介
有限单元法(Finite Element Method，FEM)属于力学分析中的数值法，起源于航空工程中的矩阵分析，它是把一个连续的介质看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移、应力。简言之，就是化整为零分析，集零为整研究。使用有限元计算分析方法有很多的优点，而这也是它得到广泛应用的原因。
4.2.4 ANSYS软件分析类型
ANSYS软件提供的分析类型如下： (1)结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应变和应力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
(2)结构动力学分析
结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不 同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
(3)结构非线性分析
结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静 态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。
(4)动力学分析
ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使 用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
(5)热分析
程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行
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稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。
(6)电磁场分析
主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
(7)流体动力学分析
ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果 可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
(8)声场分析
程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。
(9)压电分析
用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
4.3 ANSYS在化工容器中的应用
ANSYS在化工容器中的应用主要有以下几个方面： (1)压力容器不连续区应力分析。 (2)压力容器稳定性及极限载荷分析。
(3)压力容器分析设计中进行机械应力分析、热应力分析及评定等。 (4)压力容器中的接触分析。 4.3.1压力容器不连续区应力分析
压力容器的不连续区往往是压力容器的高应力区，由于这些不连续的几何形状一般较为复杂，很难用解析法进行精确求解，通常采用有限元法进行计算。
一般来说，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
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不连续区。由于总体结构不连续引起的不连续应力称为总体结构不连续应力，而由局部结构不连续引起的不连续应力称为局部结构不连续应力。
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应变源，即容器的几何形状、材料或载荷的不连续。由于总体结构不连续引起了附加边缘应力，从而对结构相当大的部分产生影响。例如，封头与壳体连接区、法兰与壳体(或管子)连接区、接管区、不同直径、不同厚度或不同材料的连接处等。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，因为这种不连续仅存在于容器上很小的区域内，所以其效果仅限于该局部地区，对结构的总体部分不会产生多大的影响。例如：小的圆角半径、小的连接件、部分焊透的焊缝或小孔等。 4.3.2压力容器稳定性及极限载荷分析
(1) 压力容器稳定性分析
所谓压力容器的失稳是指当容器所承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有几何形状的现象。不同形式的容器结构以及不同形式的载荷所引起的失稳后的几何形状是不同的，比如受侧向外压作用的圆柱形容器的失稳形状通常是横截面变为波形，但波形数与筒体的长短有关，长圆筒的失稳波数为2，短圆筒则为大于2的某一波形，而受轴向压力作用的圆筒失稳时横截面仍为圆形但经线变为波形。研究压力容器的稳定性目的在于确定容器的临界载荷及其相应的失稳模态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。
屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈服模态形状的技术。 ANSYS提供了两种分析结构屈服载荷和屈服模态的技术：非线性屈服分析和特征值屈服分析。非线性屈服分析比特征值屈服分析更加精确，建议在分析实际结构时采用。特征值屈服分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈服强度，其结构偏于保守，通常不用于实际的工程分析。
(2)压力容器极限载荷分析
结构在加载过程中，高应力区首先进入塑性，当载荷继续增加时塑性区不断扩大，出现应力重分布现象。当载荷增大到某一极限值时，由理想塑性材料制成的结构将变成不稳定的几何可变机构，从而丧失承载能力，出现不可限制的塑性流动，此时载荷不变但应变能无限增加，这种状态称为塑性极限状态，相应的载荷称为极限载荷。极限载荷分析对确定结构承载能力具有重要的作用。
现在发展较为成熟的求极限载荷的方法和步骤如下：
(1)利用ANSYS等软件对结构进行弹塑性有限元分析。弹塑性有限元分析属于非线性分
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析，采用逐步加载的增量算法，载荷步长选得过大对计算精度和收敛性都有直接影响，选得过小又影响计算效率。一般在弹性阶段安排两步，第一步加一个较小的载荷进行弹性计算，第二步根据材料屈服极限和第一步算出的最大主应力之LL(若用第三强度理论，则改为最大剪应力或应力强度之比)一步就把载荷放大到弹性极限。此后结构内开始出现局部塑性区，随着刚度的不断下降，加载步长要不断减小。具体步长可根据迭代收敛情况来决定，一般刚进入塑性时少于3次、中期少于5次、后期少于10次迭代后计算能够收敛，则步长是合理的。认真检查第一步弹性计算的正确性十分重要，这是查找有限元建模错误的关键步骤。这一步对了，往后就剩下合理选择加载步长和非线性材料模式问题，否则盲目地进入非线性计算，必然事半功倍。在ANSYS软件的非线性计算中，可以打开自动时间步长选项(PRED，ON)以及预测开关(Autos，ON)，并给定较大的载荷子步数，可较好地自动实现上述步长要求。
(2)画出由弹塑性有限元分析得到的载荷—位移图或载荷—应变图。 确定极限载荷的方法有：
(1)两倍弹性斜率法。ASME.2规范定义两倍弹性斜率线与上述载荷一位移或载荷一应变曲线的交点所对应的载荷为极限载荷。这样求得的极限载荷与实际极限载荷的关系与上述载荷一位移或载荷一应变曲线的形状有关。
(2)双切线交点法。欧共体规范定义上述载荷一位移或载荷一应变曲线的弹性区切线和塑性流动区切线的交点所对应的载荷为极限载荷。
4.4本章小结
(1)本章首先介绍了数值模拟技术及实现，并通过对比得出本文数值模拟分析方法，即有限元软件ANSYS进行动力响应分析的原因。
(2)简单介绍了有限元分析软件ANSYS的起源和应用。 (3)详细介绍了ANSYS在化工容器中的应用。
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