SolidWorks 案例研究 | 压力容器的疲劳分析

JXKJ

2026年2月12日 10:58

概述：

本文将对一个压力容器进行等幅疲劳分析。该压力容器同时承受压力及热载荷。本文将学习如何定义主导疲劳损坏的S-N曲线，并讨论多个载荷事件的交互。此外，本文还将介绍如何正确的解释疲劳结果。

项目描述：

材料为“7075-T6(SN)铝合金”的压力容器将接受疲劳寿命的评估，它将同时承受等幅的应力和热应力载荷。压力载荷在0.066~3.3Mpa之间波动，热应力也会随着热流在0~1471.8W/㎡之间变化。

本例的目标是分析该压力容器在承受200万次热力和190万次压力载荷后是否失效。

提示：

类似于热应力分析需要先运行一个热力分析，疲劳分析必须基于完整的结构研究的结果。由于压力容器承受周期性的压力及热载荷，所以在进行疲劳分析之前，需要先设置运行以下算例：结构静应力分析、热力分析及热应力分析。本文已经提前准备好了这三个案例。

关键步骤：

1、简化模型，由于模型及载荷都是对称的，可以对模型进行拉伸切除，采用一个楔形部分来进行分析。

2、设置SOLIDWORKS Simulation算例关键参数

“Thermal”算例加载了1471.W/㎡的热流量到压力容器的内部，在298.15K的环境温度下，外表面的对流系数为8.830W/(K·㎡)
“Thermal stress”算例运行后，得到从算例“Thermal”获得的温度场结果计算出的应力值。
“Static Pressure”算例中，对压力容器的内表面加载了3.3MPa的压力。

3、运行热力算例

4、完成热力分析后，进行热应力分析

图解显示，压力容器得热应力非常高，最大值接近821Mpa，已经超出了材料的屈服极限505Mpa，但我们可以观察到超出屈服极限的应力位于螺栓头和螺母的连接部位附近。由于这是假定的螺栓接头的位置，因此这个部位的应力集中是不真实，将它忽略。容器其他部分由热引发的应力相对而言很弱小。

5、运行静态压力算例

通过图解我们可以看到压力容器得热应力非常高，最大值接近1034Mpa，已经超出了材料的屈服极限505Mpa。同样我们可以观察到超出屈服极限的应力位于螺栓头和螺母的连接部位附近。由于这是假定的螺栓接头的位置，因此这个部位的应力集中是不真实，将它忽略（这里可能需要对螺栓接头进行更详细的仿真）。

6、查看应力结果的细节

缩放视图至高应力区域，探测这些关键区域的数据。远离应力集中区域的应力都小于材料的屈服极限。对高周疲劳而言，应力必须保持低于材料的屈服极限。

7、创建疲劳分析算例，定义负载为“已定义周期的恒定高低幅度事件”

添加热应力负载，右键单击【负载】并选择【添加事件】，在周期中输入“2000000”。在【负载类型】中选择【基于零（LR=0）】，这里之所以使用基于零的负载类型，是因为热载荷分布于0~1471.8W/㎡之间。

添加静应力负载，在【周期】中输入“1900000”，【加载比率】输入“-0.02”，压力载荷P分布于0.066-3.3Mpa之间。载荷比例与应力比例相似，应力比例的计算公式为R=Smin/Smax，所以载荷比例为LR=Pmin/Pmax=0.066/3.3=0.02。在本疲劳分析实例中，螺栓连接的预紧力作为附加载荷应该考虑进来，因为它会产生局部应力。

8、指定材料

静态算例中选定的材料属性会传递到疲劳算例中。如果已有材料数据不包含疲劳曲线，则用户需要自己输入一条合适的曲线。

9、查看并更改疲劳算例的属性

右键单击算例名称，选择【属性】。在【疲劳】属性窗口中，确保【恒定振幅事件交互作用】设定为【随意交互作用】。更改【计算交替应力的手段】为【应力强度（P1-P3）】，在【平均应力纠正】中选择【Gerber】，设定【疲劳强度缩减因子（Kf）】为1。这里选择Gerber平均应力纠正选项是由于材料铝合金7075-T6的S-N曲线是在R=-1时得出的，而加载事件中至少有一种载荷形式是基于平均应力为0（没有一个加载事件是对称循环R=-1）的情况。