厚壁圆筒裂纹有限元分析毕业设计论文.docx

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厚壁圆筒裂纹有限元分析毕业设计论文

厚壁圆筒裂纹有限元分析

摘要

压力容器是承压并具有爆炸危险的特种设备，一旦发生爆炸或者泄漏事故，往往并发引起火灾或中毒等重大伤亡，严重影响社会生产和经济发展，人民的生命和财产将蒙受巨大损失，同时直接影响社会生活的安定。

压力容器在使用过程中会产生各种缺陷，对这些缺陷进行安全评估是安全生产的必要工作。

本文以断裂力学为理论基础，利用断裂力学理论及数值分析方法从而更能准确的反映出压力容器在不同裂纹尺寸和不同裂纹类型下的疲劳寿命。

判断含裂纹缺陷压力容器运行的安全性与可靠性的目的在于减少不必要的停产以及维修，从而提高经济性和设备的可靠性，因此本课题的研究更加具有实用意义。

并且通过有限元软件ANSYS，建立该表面裂纹缺陷的二维平面模型和三维有限元模型，模拟计算最能反映出该裂纹前沿状态的重要参量—应力强度因子值，并分析有限弹性体高度和长度的变化对应力强度因子值大小的影响。

以上研究的结果为该设备的安全使用和可靠性评价提供了理论依据。

关键词：

裂缝；有限元；应力集中；结构分析；应力强度因子

Abstract

Pressurevesselsarespecialpressuredequipmentswithexplosionhazard.Heavycasualtiessuchasfiredisasterandpoisoningcausedbyexplosionorleakageseriouslywillseriouslyaffectsocialproduction,economicdevelopment,andpeople’slivesandproperty.Therefore,securityevaluationonthedefectsduringtheprocessofuseisnecessarytoensuresafetyproduction.

ThisPaperisbasedonfracturemechanics，thismethodthatusingthetheoryoffracturemechanicsandnumericalanalysisisinordertodefineanaccuratefatiguelifeofthepressurevesselatdifferentcracksizeandform.Todeterminethesafetyandreliabilityofthepressurevesselwhichcontainingcrackdefectaimedtoreduceunnecessaryshutdownsandmaintenance，therefore，itenhancetheeconomyandreliabilityoftheequipment.Sothestudyofthistopichasmorepracticalsignificance.Andbytheuseofthefiniteelementsoftware-ANSYS,thepaperestablishesaSurfacecrack3-Dmodel，simulatesanimportantparameter-thestressIntensityfactor，thatcanbestreflectthestatusofthecrackfront.Thispaperalsoanalysesthechangeofthestressintensityfactorvaluewhichisinfluencedbythelimitedelastomer’sheightandweight.TheseresultsofthestudyProvideatheoreticalbasisforthesafeuseandreliabilityevaluationoftheequipment.

Keyword:

Crack;Finiteelement;Stressconcentration;Structuralanalysis;SIF

第1章概述

有资料表明，目前我国压力容器供方市场已有2700余家，已构成规模大，装备强，覆盖面广，技术力量强，素质高的生产厂家。

并且我国已形成ASME产品协作网，中小压力容器厂商联合会，已创建压力容器协会，这均是很有前景的横向联合的行业协会团体，已构建了大型集团化公司，如东方锅炉有限公司，南京石化集团等。

因此，我国压力容器制造现状特点和存在问题值得我们进行深入研究。

1.1压力容器制造现状特点

现有压力容器制造过程由七大部分组成，即设计、机加工和铆接、材料、焊接、无损探伤、计量理化和检验，它贯穿于压力容器制造的整个过程，这七大部分相互联系、相互协调、相互制约共同完成压力容器产品的制造。

压力容器是以小批量、单件的生产方式为主的产品，长期以来高成本、较长的加工周期困扰着企业，使企业为此付出了代价。

随着科学技术的飞速发展，产品的生命周期不断缩短，客户往往因为不能忍受长时间的等待而离去，使企业失去了一些客户的信任；再加上压力容器制造企业设备投入大，生产成本居高不下，产品的生产周期长，这些严重制约了企业的发展，削弱了企业的核心竞争力。

所以要提升压力容器制造企业的核心竞争力就必须对现有压力容器产品的制造过程进行剖析，从而找出引起压力容器产品生产高成本、长交货期的根源所在，“对症下药”有的放矢的采取有效的方法达到解决长期困扰企业的两难问题。

下面从产品结构、工艺流程、生产方式等方面对压力容器产品的生产特点做以下描述：

　　产品结构、参数的多样性。

压力容器产品适用范围广，如制药、化工、石油、冶炼、饮食等行业，所处行业不同，有不同的用途，因此广泛的用途使其产品具有多种多样、品种繁多的特点，而且即使是同类产品中也会因客户需求上的差异，造成产品结构上的不同，进而引起制造工艺上的多样性。

例如，以罐类容器为例，同为罐类但因其在生产工艺中的作用不同分为混合罐、储罐、蒸发器、热水器、蒸馏罐、过滤器、叶滤罐等，使它们在制造过程中的生产工艺流程各不相同。

　　压力容器产品有较高的安全性要求。

压力容器制造必须遵循大量强制的标准和规范，并且标准和规范具有时效性。

压力容器产品因其多在高温、高压、真空、腐蚀等环境条件下长期运行，而且所盛装的介质常为易燃、易爆、剧毒、有害物质，因此产品的安全性被放在首位，产品从设计开始需要遵循强制性的标准和规范。

如GB150-98、GB151-98等等。

随着科学技术的不断进步，新技术、新工艺、新材料和新的管理手段的运用，加速了标准和规范的更新。

例如旧标准受当时的技术和经济条件的限制和制约，以考虑安全性为主，忽略了客户对经济性的关注；可喜的是新标准在新思想的影响下，编者们已意识到客户对经济性的需求是不可忽视的，故新标准逐渐把经济因素放到了比较重要的位置，这体现在新标准中对安全系数的降低

　　压力容器产品制造过程中存在着许多相似的信息。

在压力容器产品的统计制造过程中发现其中存在着许多相似信息，如工艺流程的相似性，零部件几何形状之间的相似性，产品结构之间的相似性，同理事物处理过程之间的相似性。

对这些相似信息的利用能有效的提高企业的竞争力。

　　压力容器产品的设计具有较强的专业性。

压力容器产品不同于通用机械产品，在运用软件技术进行产品设计时不仅要求人员掌握先进的计算机技术，更要具备化工设备设计的整体设计思想。

　　压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品。

压力容器制造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业，因此制造过程要求多行业、多学科、多方面的协作共同来完成，并且为确保产品质量形成了以职能为中心的、以控制为导向的机械式组织结构。

　　压力容器的产品结构复杂，多种多样，使产品的品种增多，但组成产品的各部分组件间联系相对松散，产品便于进行系列化和模块化。

　　压力容器产品制造过程是以钣金件的焊接质量为主要质量控制点，同时也是制造过程的薄弱环节。

1.2制造工艺的现状及存在问题

工艺流程中存在的许多重复性工作。

工艺流程中的重复性以及不必要的工艺环节，直接影响了产品生产的周期和产品质量。

压力容器产品生产的工艺流程中的相似环节是造成产品加工周期长、客户等待时间长的重要原因之一。

例如焊接工艺文件中产品试板的焊接工艺的编制，从逐台编制到以台代批。

　　工艺编制的复杂性，是指编制工艺文件的合理性受工艺人员的自身水平的影响。

工艺的编制需查阅大量的标准和规范，故每一份工艺文件编制的合理性都受编制人员的技术水平和工作经验的影响。

工艺编制的复杂程度与所对应的产品有很大关系，随产品结构的不同其工艺编制的工作量有很大差距。

因此，工艺人员的专业素质对压力容器产品的制造起着重要作用。

例如，焊接工艺是压力容器产品制造过程中焊缝加工的指导性文件，由于它的加工特点决定了焊接工艺编制对产品质量、交货期以及产品成本起着重要作用。

焊接工艺的编制水平直接影响到焊接质量和焊缝的返修次数，进而影响产品质量的优劣，以及产品加工周期的长短。

　　产品或零部件工艺的重复编制导致压力容器产品制造时间延长。

往往因为缺乏对信息资源的分析和积累，会出现重复编制相似零部件的工艺文件现象，造成生产的浪费和成本的增加。

　　不同工艺之间的相互脱节，信息的阻塞造成产品流程的不畅。

压力容器制造过程中存在着多种工艺共存的现象，但这些工艺之间的脱节同样是造成加工周期拉长的原因。

如焊接工艺与检验工艺、焊接工艺与铆工工艺的协调等必须合理，否则会产生不应有的等待，从而使制造时间拉长。

例如在产品制造过程中因需评价工艺参数的合理性，以往常用试板试验、鉴证件试验等方法来研究和评价工艺参数的合理性，故此时就产生了等待时间，这种等待不仅增加了生产时间而且会加大生产成本。

1.3圆筒压力容器的简介

1.3.1圆筒压力容器的组成

压力容器由容器本体和附件构成。

对于圆筒形容器，容器本体由筒体与封头两部分组成。

常见的压力容器封头有：

球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球罐形封头、锥形封头和平盖封头等。

容器附件包括支座、法兰、接管、人孔、手孔、视镜和安全附件等。

1.3.2圆筒压力容器刚度的基本要求

材料是压力容器质量保证体系中的一个重要环节，并不仅仅是设计者选定一下材料就万事大吉了，这里还涉及到对材料与冶炼与轧制、供货状态、采购订货、检验验收、力学性能与成分的查对或取样复测、材料在使用过程中的退化与损伤积累等方面的全面了解。

事实上设计者选材时，就应对这些因素有充分的了解并予以足够的考虑。

为此，首先分析容器的制造与使用条件的特殊性。

容器承受压力或其他载荷，因此容器的材料应具有足够的强度。

材料强度过低，势必使容器过厚，但强度过高又将影响材料的其他力学性能和焊接性能。

容器制造时多数须用冷卷及热冲压成形工艺，为此材料应具有良好的塑性，使冷卷及热冲压时不裂不断。

容器在结构上不可能做到没有任何小圆角或缺口，也不可能在焊缝中无任何缺陷，如气孔、夹渣、未焊透、末熔合、甚至还有裂纹，这些都形成应力集中。

这就要求材料具有良好的韧性，将不致因载荷突然波动、冲击、过载或低温而造成断裂。

此外，有时还要求在交变载荷作用时材料具有抗疲劳破坏的能力，使容器有足够的安全使用寿命。

除极少数的铸造及锻造容器外，容器的制造均需要焊接，因此材料必须有良好的可焊性。

简单地说，可焊性就是指焊接时和焊接后是否会出现裂纹（热裂纹或冷裂纹）和因焊接热影响而形成硬脆的淬硬组织。

增加含碳量和某些合金元素可提高强度，但又使可焊性变差。

然而，也不能因此而