基于 S h e l l 单元的压力容器结构安全与性能评价
作者/来源：郭崇志 郑彬 (华南理工大学) 日期： 2009-11-26 点击率：1349
摘要 为了考察在大型薄壁压力容器结构分析中S h e l l 单元对结构安全评价产生的影响和误差，对某一工程实用结构的开孔接管问题，分别应用 S h e l l 和 P l a n e单元进行结构建模，然后按应力分类准则对结构的安全性进行评价。通过数据比较发现了P l a n e单元和实体 S o l i d单元在结构安全性能评价中的差别，并根据具体的计算结果指出了2种单元对于同一个问题评价结果的不同。 证明采用S h e l l 单元的计算结果进行工程压力容器结构评价的某些局限性，并且提出了S h e l l 单元所建立的曲面模型的适用条件以及进行分析评价的若干原则。
关键词 S h e l l 单元 压力容器 结构仿真 A N S Y S软件 应力 安全评价
1 问题的提出
在 A N S Y S大型有限元结构仿真分析软件中， S h e l l 单元表现出来的性能与 S o l i d实体单元不同。 由于 S h e l l 单元采用了薄壳理论的中面假定，所以采用壳体的中面来表达实际结构，对于应力梯度变化缓慢的结构总体区一般符合薄壳理论的假定，这种表达方式简便，精度很高。但是，对于应力梯度变化较大的局部结构，尤其是有局部应力集中特征的结构，例如焊缝、结构的圆角过渡区域或者不同几何特征的结构连接部位等，S h e l l 单元无法准确表达，这是由于S h e l l 单元固有的中面假定造成的。 在局部区域，尤其是在厚度变化 ( 从而使中面表达产生困难)的大型薄壁容器局部区和过渡区， 无论离散化的精度多高，都会出现计算结果与实际情况的偏差。而实体单元如 P l a n e族 ( 二维 )和 S o l i d族 ( 三维)的单元，可以完整地对结构局部进行离散化。当单元尺度越来越小时，理论上实体单元可以严格地逼近真实的结构形状，而且在 A N S Y S软件中，几乎所有的实体单元都可以通过软件操作直接获得应力线性化的结果，给人们进行结构应力分类分析与安全评价提供了极大的方便。因此，在大型薄壁构件的有限元分析中，理论上讲 ， 为了不产生结构模拟失真，所有结构离散化都应当采用 S o l i d单元进行。但是，由此对于大型结构离散化将产生大量的单元和复杂的网格，造成分析计算耗时过长，成本过高。因此，在实际应用中，大量的工程应用事例是采用 S h e l l 单元完成的。
由于A N S Y S结构数值仿真分析软件并没有直接给出S h e l l 单元的线性化处理功能，直接利用计算结果进行设计评价和安全评估就遇到很大的闲难，能否利用壳单元的分析结果进行结构评价就成为实际工程中人们十分关注的问题。此外 ，从实际应用的角度看，很多大型压力容器结构总体区域的设计分析理论十分完善，分析中最关....
