基于ANSYS Workbench的真空管道屈曲分析
利用ANSYS Workbench 对某装置中设计的真空管道进行了屈曲分析，并把有限元分析结果和解析法计算结果进行对比，验证了有限元屈曲分析的可靠性。同时，提出真空管道优化设计方法，并对优化结果进行校核。计算结果表明：通过合理设置加强圈，既能有效提高真空管道抗外压失稳能力，又能减轻管道重量，从而显著降低制造成本。
大型真空管道为薄壁结构件，其主要失效形式不是强度失效而是失稳失效。所谓的压力容器失稳是指压力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。研究外压容器稳定性的目的在于研究容器的临界压力及相应的失稳模态，以改进加强措施，提高结构的抗失稳能力。由于外压容器很难进行外压试验，直接考核大型外压容器承受外压时的稳定性是不现实的，因此大型外压容器的稳定性计算往往多采用理论或有限元分析方法。
ANSYS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，在压力容器的屈曲稳定分析中有着广泛的应用，它提供了两种预测结构屈曲临界载荷和屈曲模态的技术，一种是特征值屈曲分析，可以预测结构屈曲形状，得到失稳临界载荷的上限。另一种是非线性屈曲(包括几何非线性和几何及材料双非线性)分析。使用非线性技术，模型中就可以包括诸如初始缺陷、塑性行为、间隙、大变形响应等特征，因此，非线性屈曲分析更接近工程实际的真实情况。
本文利用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析方法，对某装置中设计的真空管道进行屈曲分析，并把有限元分析结果和解析法计算结果进行对比，得出真空管道稳定性的分析结论。同时，提出真空管道优化设计方法，为提高真空管道安全性和结构设计合理性提供了依据。
3、真空管道优化设计
在既定直径与材料条件下，提高外压容器的临界压力，可通过增加筒体厚度或减小计算长度方法。从减轻容器重量、节约成本出发，减小计算长度更有利，在结构上即是在圆筒的内部或外部相隔一定的距离上设置加强圈。
真空管道可通过合理设置加强圈数量及位置来减小壁厚，使其重量在满足稳定性条件下得到优化。经反复计算比较后，优化后真空管道设计参数如下： 筒体壁厚δ=10mm ， 外加强圈为高度H=100mm ，厚度B=16mm 的扁钢，数量N=3，加强圈沿筒体轴向等距均布，其结构示意图如图5 所示。
图5 筒体带加强圈优化后结构示意图
有限元分析中，非线性屈曲分析更接近工程实际的真实情况。因此采用非线性屈曲分析对带加强圈真空管道进行稳定性校核。得出真空管道临界压力Pcr=0.4407MPa，根据式(1)计算可得，其许用应力[p]=0.147MPa>0.1MPa，因此满足稳定性要求。真空管道优化设计后重量对比结果如表2 所示，优化后重量比原设计方案显著减小。
表2 真空管道优化前后重量对比
4、结论
(1)三种分析结果中，特征值法分析结果较大，非线性屈曲分析结果较小，更接近解析法分析结果。因此，从设备安全使用方面考虑，特征值法不建议直接用于工程实际。工程上采用特征值法分析的结果乘以一定的折算系数，来替代非线性屈曲分析，从而得到相对保守的结果也是可以的。
(2)在真空管道设计中，可以通过设置加强圈的方法来提高其临界压力，既能提高其稳定性，又能减轻整体重量，从而有效降低制造成本。
