装备10801班 16 宋汉峰.docx

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装备10801班16宋汉峰

工程分析软件应用大作业

专业班级装备10801

班级序号16

学生姓名宋汉峰

成绩

长江大学机械工程学院

2011—2012学年第一学期

压力容器需支撑定位，通常根据容器的结构形式不同选用不同形式的支座，如.立式容器，当安装高度不高时采用支腿或腿式支座，当安装高度较高时采用悬挂式支座《耳式支座）.对于塔式容器采用裙座，而对于卧式容器则采用徽座.通常支座可根据其承载能力选用标准支座，同时按有关标准校核支座支撑区容器的局部强度。

但是对于某些大型容器，其支座往往超出标准支座的范围，需设计者对支座及其与容器的支撑区进行应力分析，以便确定合理的结构尺寸。

以下将以大型蒸发器支座为例对支座支撑区进行应力分析.

1.问题描述

某蒸发器，设计压力为0.16MPa，设计温度为110℃，介质为卤水及水蒸汽，筒体内径4400mm材料的屈服应力177MPa，支座材料屈服应力为235MPa，两种材料的弹性模量E=2.0e5MPa，泊松比为0.3，设备空重61吨，4个支座均匀分布。

要求：

在规定的设计压力、筒体内径、材料强度、安全系数和设备空重下，设计最佳的筒体壁厚、锥形封头厚度。

参数如下：

两种材料的安全系数均为

.

2．分析问题

此问题为三维线性问题。

可在ansys中建立模型，求解，观察最大受力，然后即可知道设计是否可行。

由于主要讨论蒸发器支座支撑区的应力状况,可以忽略蒸发器其他细节,如锥形封头及筒体上的接管,并利用结构的对称性仅建立支座支撑区的1/8模型。

筒体及锥形封头经向长度应远大于边缘应力衰减长度，模型中筒体长度取为2500mm，锥形封头经向长度取为全锥经向长度的一半，其中支座底面约束各向位移，两对称面施加对称约束:

筒体内表面施加内压力。

锥形封头内表面施加内压力及液柱静压力.其中液柱静压力取锥形封头部分液柱静压力的平均值，筒体端面及锥体下端面施加轴向平衡面载荷pc及pcon，并按下述方法计算pc及pcon。

将自重转化为面载荷与内压引起的轴向平衡面载荷.加，因此有

将未能以液柱静压力体现的介质重最以面载荷的形式与内压引起的经向平衡面载荷叠加，因此有

式中

作用在模型中锥形封头部分的液柱静压力为:

值得注意的是上述计算中液柱辞压力是以容器充满水即水压试脸工况为计算依据的。

3、GUI过程

（1}环境设置。

Step1以交互模式进入ANSYS，在总路径下面建立子路径F:

\ANSYS_WORK,工作文件名取为E43。

Step2设置标题：

执行UtilityMenu>ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle对话框，输入FEAofconnectingzoneofsupportof，单击OK按钮.关闭对话框.如图2

图2

Step3角度单位设定:

执行UtilityMenu>Parameters>AngularUnits命令，弹出AngularUnits设置框，在Units下拉框中选择DEG格式，单击OK按钮完成。

如图3.

图3

Step4初始化设计变量:

执行UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters命令，弹出ScalarParameters对话框，对照参数表，在Selection框中输入各参数值。

（须改动三个初始值：

Di=4400,Pi=0.16,m1=61E3.）如图4

（2）定义单元及材料。

Step1定义单元类型:

执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，弹出ElementType对话框;单击Add按钮，添加单元。

弹出LibraryofElementTypes对话框,在左侧列表选择StructuralSolid项，在右侧列表中中选择Brike8node45项。

如图5

Step2定义材料属性：

执行MainMenu>Preprocessor>MaterialModels命令，弹出DefineMaterialModelBehavior对话框，在右边的可选材料模型MaterialModelsAvailable框中选择Structural>Linear>Elastic>Isotropic。

Step3单击Isotropic项，在EX中输入2e5，在PRXY中输入0.3。

如图6

图4

图5

图6

（3）创建模型。

Step1先创建2点，然后再建立子午面母体。

然后定义局部坐标系，将原点上移，以上边的中点旋转alfa角度，生成锥形封头子午面。

（如图7）

Step2生成筒体子午面，合并相同项。

显示关键点，由点5、6、8生成焊接区子午面。

（如图8）执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Creat>Areas>Abitrary>ThroughKPs命令，弹出拾取框，依次选中编号为5、6、8三个关键点，单击OK按钮完成。

图7图8

Step3生成筒体封头焊缝的1/8回转体（如图9），然后移动工作面，生成筋板、腹板、底板的母体。

生成回转体：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrud>Areas>AboutAreas命令，弹出拾取框，单击PickAll按钮，弹出对话框询问旋转对称轴定位，单击min,max,inc,在文本框中输入”1,2,1”，单击OK按钮，弹出对话框.在ARC一栏填入360/2/ns，单击OK按钮。

生成筋板、腹板、底板的母体后最后形成图形如图10

图9图10

Step4选择筋板、腹板、底板的母体，用椎体封头将它们切割，然后删除多余的部分。

（如图11）选中后用封头外表面切割：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Boolean>Divide>VolumebyAreas}命令.弹出拾取框，单击PickAll按钮，即选中筋板、腹板及底板.再选择编号为5的锥形封头外表面.单击OK按钮完成。

Step5移动工作面，旋转工作面。

图11

Step6用工作面切割筋板和底板，然后去掉多余的部分。

之后再将筋板、腹板、底板互分，最后全选择。

如图12

图12

（4）划分网格

Step1显示关键点，找出点23和点19.它们在筋板的顶上两个角上。

将坐标平面移至点23，旋转后采用平面剖分体。

Step2将坐标移至点19，采用工作平面剖分体，旋转，再采用工作平面剖分体。

采用工作平面剖分体:

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Boolean>Divide>VolumebyWrkplane命令，弹出拾取框，单击PickAll按钮完成v

Step3体互分之后，联合所有线段。

粘合所有线段:

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Boolean>Clue>Lines命令，单击PickAll按钮完成.（如图13）

图13

Step4显示线段，设置分段数，分别将L36，L45，L55三条线段分成3分。

其中，L36在点23和点19之间。

而L45和L55在底板上。

（如图14）设定线分段数:

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Layers>PickedLine命令,弹出拾取框,选中编号为36的线段，单击Apply按钮，弹出设定框，在NDIV一栏输入3，设定腹板厚度方向划分为3份。

图14

Step5设置单元大小，在尺寸上输入30。

设定单元大小:

执行MainMenu>Preprocessor>

Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Global>Size命令，弹出如图对话框，在SIZE一栏愉入30，单击OK按钮完成。

Step6映射划分合并所有项，压缩编号。

划分单元之后（如图15）映射划分:

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>VolumeSweep>Sweep命令，单击PickAll按钮完成。

图15

（5）施加载荷与约束1

Step1选择Z=0的面:

执行MainMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，依次选择Area、

ByLocation、Zcoordinates、FromFull，在Min,max一栏输入0，单击OK按钮完成。

Step2施加对称约束：

执行MainMenu>Solution>DefineLodes>Apply>Structural>Displacement>

SymmetryB.C>OnAreas命令,弹出拾取框，单击PickAll按钮完成。

Step3定义局部柱坐标系，设定KCN为12，KCS为Cylindrical1，THYX为-90.

Step4选择1/8位置截面，施加约束。

Step5激活整体直角坐标系:

执行MainMenu>Workplane>ChangeActiveCSto>Globalcartesian命令。

Step6选择支座底面，约束底面各向位移。

约束完成之后Step如图16

图16

Step7选择筒体端面:

重复执行step1，设定选项为Area、ByLocation、Ycoordinates、

FromFull，在Min,max一栏输入Lc，单击OK按钮完成。

Step8施加平衡面载荷-pc:

执行MainMenu>Solution>DefineLodes>Apply>Structural>

Pressure>OnAreas命令，弹出拾取框，单击PickAll按钮，弹出对话框，在VALUE一栏设定-pc，单击OK按钮完成。

Step9选择锥形封头端面，施加平衡面载荷-pcon。

Step10选择筒体内表面，施加内压pi。

Step11选择封头内表面:

执行MainMenu>Select>Entities命令，弹出对话框，依次选择Area、

ByNum/Pick、FromFull，单击OK按钮，弹出SelectAreas选择框，单击Min,Max,Inc选项，

在文本框中输入“44,46,2"，单击OK按钮完成。

再重复执行MainMenu>Select>EntitiesI命令.

弹出对话框，依次选择Area、ByNum/Pick、AlsoSelect，单击OK按钮，弹出选择框，单击

Min,Max,Inc选项，在文本框中输入“93,95,1"，单击PickAll按钮，再在文本框中输入91，

单击OK按钮完成。

Step12施加内压及液柱静压力pi+py1。

Step13载荷施加完成后如图17

图17

（6）施加载荷与约束

Step1全选择:

执行MainMenu>Select>Everything命令。

Step2求解：

执行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令，完成求解，如图18

图18

（7）结果后处理

查看节点应力云图:

执行MainMenu>GeneralPostproc>Plotresults>ContourPlot>NodalSolu命令，弹出对话框,单击Stress，在其下拉列表中选择vonMisesstress，显示结果。

如图19

图19

4.计算结果与讨论

计算结果如图19所示，最大应力发生在支座筋板与简体连接处。

最大应力强度值为

63.35MPa,满足强度要求。

值得注愈的是当连接区最大应力强度值超过材料的许用应力时，并不一定表示结果强度不够，因为在这种结构不连续区域，应根据或参考分析设计的观点对计算结果进行进一步的分析与评定。

5.结论

（1）重要计算参数

*SET,dci=4400

*SET,tc=40

*SET,tcon=40

*SET,alfa=30

*SET,lc=2500

*SET,lcon=dci/2/tan（alfa）

*SET,lrat=0.5

*SET,lcon=lcon*lrat

*SET,ns=4

*SET,h0=1500

*SET,dis=dci+tc

*SET,ts=20

*SET,ws=500

*SET,hs=1300

*SET,bb=800

*SET,w1=250

*SET,pi=0.16

*SET,gra=9.81

*SET,denstell=7850

*SET,denwater=1000

*SET,m1=61e3

*SET,hy1max=13

*SET,hy0max=15.0

*SET,py1=hy1max*denwater*gra/1e6

*SET,py0=hy0max*denwater*gra/1e6

*SET,scon=（dci/2*lrat*2+tcon*cos（alfa））*tcon

*SET,pcon=（pi+py0）*（dci/2*lrat）**2/scon/cos（alfa）

*SET,pcm1=m1*gra/（3.1415927*（（dci+2*tcon）**2-dci**2））

*SET,pc=pi*dci**2/（（dci+2*tcon）**2-dci**2）-pcm1

（2）计算结果

最小压力：

SUN=0.001816MPa

最大压力：

SMX=63.35MPa