加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析.docx

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加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析

CAD/CAE软件实践报告

专业班级装备11101

班级序号

学生姓名

指导教师

成绩

长江大学机械工程学院

2012—2013学年第二学期

加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析

1、问题描述

某加氢精制反应器，设计压力为P=8.8MaP，设计温度为T=347℃。

材料为2Cr—1Mo，弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3。

设计温度下材料的设计应力强度：

裙座锻造结构Sm=115.5MaP，筒体及封头主体Sm1=153.5MaP。

设备总重W=273000kg。

h形锻件尺寸为：

筒体内半径R1=1436.5mm，壁厚为t1=90mm，封头内半径R1=1446.5mm，壁厚为t2=55mm，裙座壁厚t3=23.5mm,锻件高度H=568mm，试分析该加氢反应器裙座支撑区支撑应力。

2、问题分析

根据加氢反应器裙座支撑区h形锻件结构图建立：

采用轴对称模型，其中与h形锻件连接筒体与裙座的长度足够长，远大于2.5倍的边缘应力衰减长度。

由于讨论h形锻件连接区的应力分布规律，忽略了下封头的开孔接管。

其中，筒体端部以面力P2模拟封闭筒体受力情况。

将重力载荷转化为面力形式叠加到通体端部，用P1表示，

3、分析过程

1、环境设置

（1）以交互模式进入ANSYS,在总路径下建立子路径，工作文件名取为E61

（2）设置标题：

执行UtilityMenu>ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle命令，输入E61，单击OK按钮，关闭对话框。

（3）初始化设计变量：

执行UtilityMenu>Paramerters>ScalarParamerters命令，弹出ScalarParamerters对话框，输入数据。

2、定义单元材料

（1）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，弹出LibraryofElementTypes对话框。

（2）单击OK，退回至ElementType对话框。

（3）设置对称轴选项：

在ElementType对话框中，单击Option按钮，设置PLANE82elementtypeoptions选项，在ElementbehaviorK3下拉框中选择Axisymmetric，单击OK。

（4）定义材料属性：

执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel命令，弹出如下对话框：

（5）单击Isotropic项，弹出如下对话框：

3、创建模型

（1）创建系列关键点，用于定位：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入1，单击Apply按钮，生成坐标为（0,0,0）关键点1。

再依次输入点2（tongt_di/2+tongt_t，，），点3（tongt_di/2，，），点5（tongt_di/2+tongt_t，-tongq_h，），点6（tongt_di/2+tongt_t-qunz_t，-tongq_h，）点7（kx（6）-xyhr1，xqunz_h-tongq_h，）。

（2）连线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出对话框，选中编号为2、3的两点，生成线段1，再选择点2、5，生成线段2，再选择点5、6，生成线段3，单击OK。

（3）画包含裙座连接侧过度圆弧的圆：

执行UtilityMenu>List>Keypoingts>Coordinates+Attributes命令，记录关键点7（0.151E+04，-545,0）。

再执行执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByCent&Radius命令，弹出圆心位置拾取框，单击GlobalCartesian,再文本框中输入（0.151E+04，-545,0），单击Apply按钮，弹出圆周任一点位置拾取框，在文本框中输入（0.151E+04，-545+xyhr1,0），单击Apply按钮，弹出ArcsByCent&Radius对话框，直接单击OK。

（4）删除多余圆弧：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>LineandBelow命令,弹出拾取框，依次选择编号为5、6、7的三条多余的圆弧，单击OK。

（5）连线：

重复步骤

（2）连接6,4两个关键点。

（6）重新定义关键点7为与过度圆弧等高的点：

在命令流中输入“K，7，0，ky（8）”。

（7）生成h型锻件两个过度圆弧连接线的母体：

重复步骤

（2）连接7,8两个关键点。

（8）画球壳外壁对应的圆：

在命令流中输入“Circle,1,fengt_do/2”。

生成圆心位置在关键点1，半径大小为fengt_do/2的圆。

（9）删除多余圆弧：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>LineandBelow命令,弹出拾取框，依次选择编号为7、8、9的三条多余的圆弧，单击OK。

（10）线段相减：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段10，单击Apply按钮，再选则相减线段6，单击OK。

（11）删除编号为7的线段。

（12）再次生成两过度圆弧连接线的母体：

重复步骤

（2）连接8,10两个关键点。

（13）定义辅助关键点

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入30，输入坐标（kx（10）-xyhr2,ky（8）-xyhr2,0）单击Apply按钮。

再在NPT中输入40，单击Apply按钮，输入坐标（kx（8）,ky（30）,0）关键点40。

（14）生成辅助线以确定内侧过渡圆弧中心：

重复步骤

（2）连接40,30两个关键点。

（15）画辅助圆以确定内侧过度圆弧中心：

在命令流中输入“Circle,1,fengt_do/2+xyhr2”。

生成圆心位置在关键点1，半径大小为fengt_do/2+xyhr2的圆。

（16）求交点以确定内侧过度圆弧中心：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段7，单击Apply按钮，再选则相减线段12，单击OK。

（17）删除多余圆弧：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>LineOnly命令,弹出拾取框，依次选择编号为13、14的三条多余的圆弧，单击OK。

（18）删除多余的关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Keypoingts命令,弹出拾取框，选择编号为30的点，单击OK。

（19）删除多余线段：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>LineOnly命令,弹出拾取框，依次选择编号为9、10、11三条线段，单击OK。

（20）画包含内侧过度圆弧的圆：

在命令流中输入“Circle,14，xyhr2”成圆心位置在关键点14，径大小为xyhr2的圆。

（21）删除7、10、11三条多余的线段。

（22）生成辅助线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“1,14,13”，单击Apply按钮，生成辅助线1，再在文本框中输入“9，14,5”，生成辅助线2.。

（23）定义内侧圆弧中心：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入5000，坐标为（kx（14）,ky（14）,0），单击OK。

（24）线段相减：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段9，单击Apply按钮，再选则相减线段7，单击OK。

（25）删除编号为12的线段。

（26）生成辅助线

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“7,14,7”。

（27）线段相减：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段6，单击Apply按钮，再选则相减线段10，单击OK。

（28）删除编号为12的线段。

（29）线段相减：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段8，单击Apply按钮，再选则相减线段7，单击OK。

（30）删除编号为6的线段。

（31）重新定义球壳中心：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入1，单击Apply按钮，生成坐标为（0,0,0）关键点1。

（32）画包含球壳内壁的圆：

在命令流中输入“Circle,1，fengt_di/2”成圆心位置在关键点14，径大小为fengt_di/2的圆。

（33）删除编号为6，7，8的三条线段。

（34）定义辅助关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入40，单击Apply按钮，生成坐标为（kx（3）,ky（7）,0）关键点1。

（35）生成辅助线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“3,40,37”，单击Apply按钮，生成辅助线1，再在文本框中输入“12,14,2”，生成辅助线2。

（36）线段相减：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段12，单击Apply按钮，再选则相减线段6，单击OK。

（37）删除编号为8的线段及其附属。

（38）删除编号为3的线段

（39）生成裙座底面关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入100，坐标为（kx（5）,ky（5）-h1,0），单击Apply按钮，生成关键点100；再在NPT中输入200，坐标为（kx（6）,ky（6）-h1,0），单击OK按钮，生成关键点200.

（40）生成裙座底面线段：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“100,200,100“，单击OK按钮。

（41）生成筒体端面线段的关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入300，坐标为（kx（3）,ky（3）+h2,0），单击Apply按钮，生成关键点100；再在NPT中输入200，坐标为（kx

（2）,ky

（2）+h2,0），单击OK按钮，生成关键点200.

（42）删除编号为1的线段。

（43）连接通体端面线段：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“300,400,100”，单击Apply按钮，再依次输入“11,300,289”，“2,400,398”，“5,100,95”，“6,200,194”，单击OK按钮.

（44）定义应力评定路径所需关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入800，输入坐标（kx

（2）,ky（11）,0）单击Apply按钮。

再依次输入900（kx（5）,ky（4）,0）、6000（kx（300）,ky（300）-400,0）7000（kx（400）,ky（6000）,0）

（45）生成辅助线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出拾取框，选择MinMaxInc选项，，在文本框中输入“1,5000,4999”，单击OK按钮，生成辅助线。

（46）线段相减

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>LinebyLine命令，弹出拾取框，首先选择被减线段13，单击Apply按钮，再选则相减线段15，单击OK。

（47）删除编号为2的线段。

（48）定义面域：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ThroughKPs命令，对话框中依次输入12,14,10,11,300,400,2,800,900,5,100,200,6,4,8,9,7，单击OK。

4、网格划分

（1）定义单元尺寸：

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Areas>AllAreas，弹出：

（2）剖分网格：

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free命令，弹出拾取框，单击PickAll按钮。

（3）外侧圆弧网格加密：

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>ModifyMesh>RefineAt>Lines命令，弹出对话框，选中编号为4,11的外、内侧圆弧，单击OK。

设定Level为1，单击OK。

5、施加载荷与求解

（1）内表面施加压力：

执行MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>

Pressure>OnLines命令，弹出对话框选择内表面为6,16,1

（2）筒体端部施加轴向平衡面载荷：

执行MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>

Pressure>OnLines命令，弹出对话框选择内表面为1的三条线段，单击OK。

弹出对话框：

（3）裙座底端线段施加轴向位移约束：

执行MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>

Pressure>OnLines命令，弹出对话框选择内表面为3的三条线段，单击OK。

弹出对话框：

（4）封头对称面施加X向位移约束：

执行MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>

Pressure>OnLines命令，弹出对话框选择内表面为7的三条线段，单击OK。

弹出对话框,在Lab2中选择UX。

（5）求解：

执行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令，进行求解。

6、应力线性化处理结果如下：

7、结果后处理

（1）查看应力云图：

执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot>NodalSolu命令，弹出ContourNodalSoluDate对话框，单击Stress，单击VonMisesStress，显示结果：

8、结果处理

筒体及封头（设计应力求强度

均满足强度要求，h形锻件（设计应力强度

=115.5Mpa）最大应力发生在内过渡圆角处最大值123Mpa，但是整个结构未考虑热应力，需要进行热分析后才能下结论。

焦炭塔设备模态分析

1、问题描述

焦炭塔的结构尺寸如图所示。

容器规格为Φ6300×30975m，塔体总共分为4部分：

球形封头，上、下筒体和锥形封头；两个区域：

泡沫段和焦炭段。

泡沫段筒体壁厚为29.5mm，充焦段筒体壁厚为33.5mm，下筒体与锥形封头过渡段半径为3150mm，壁厚为33.5mm，上封头为半球形，内半径为3150mm，壁厚为29.5mm，整个塔体由裙座支撑。

筒体由多个筒节焊接而成，锥形封头由一筒节卷焊而成。

塔体主体材质为20g,裙座圈板为20g,，焊缝材料为J427，塔体的弹性模量为1.824859E11Pa，密度为7.85E3kg/m3,泊松比为0.3；焦炭的弹性模量为4.20E8Pa，密度为0.8E3kg/m3,泊松比为0.3。

2、问题分析

由于塔体壁厚远远小于塔体内径，可将问题适当简化。

在建立有限元模型时，塔采用四节点的SHELL63单元，焦炭采用SOLID45单元，这样模型在满足精度要求的情况下将得到简化。

在建模时，先建立塔的关键点，连接关键点得到塔壁线，再通过旋转得到塔的几何模型，然后指定线的划分份数，将塔的几何模型，转换为有限元模型；生成焦炭的模型是通过先生成面单元，然后将面单元延伸成体单元。

在有限元计算时，基础视为刚体，将与基础连接的裙支座单元的x，y，z三个自由度全部约束

3、分析过程

1、环境设置

（1）以交互模式进入ANSYS,在总路径下建立子路径，工作文件名取为wb03

（2）设置标题：

执行UtilityMenu>ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle命令，输入wb03，单击OK按钮，关闭对话框。

（3）初始化设计变量：

执行UtilityMenu>Paramerters>ScalarParamerters命令，弹出ScalarParamerters对话框，输入数据。

2、定义单元材料

（1）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，弹出

单击OK按钮，退回至ElementType对话框，定义2号材料：

（2）定义1号材料属性：

执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel命令，弹出如下对话框：

（3）双击Isotropic标识：

单击OK按钮，弹出如下对话框：

（4）定义2号材料属性：

用同样的方法定义2号材料属性，EX为4.20E8，PRXY为0.3，DENS为0.8E3。

（5）定义实常数号1属性：

执行MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete命令,弹出RealConstants对话框，单击Add，选择Type1，单击OK按钮，弹出如下对话框：

再用同样的方法定义实常数号2属性，TK（I）=up_t。

3、创建模型

1）建立塔的几何模型

（1）打开关键点、线以及面号码显示开关：

执行MainMenu>PlotCtrls>Numbering命令，打开对话框：

（2）生成塔壁关键点：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoingts>InActiveCS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入1，坐标为（Outlet_R,0,0），单击Apply按钮，生成关键点1，再依次输入2（ta_r,outlet_h,0），3（ta_r,outlet_h+low_h,0）,4（ta_r,outlet_h+low_h+up_h,0）,5（ta_r,outlet_h-qun_h,0）,6（0,outlet_h+low_h+up_h,0）,7（0,outlet_h+low_h+up_h+ta_r,0）1000（0,0,0）

（3）生成塔壁线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>InActiveCooder命令，弹出对话框，选中编号为1、2的两点，生成线段1，再选择点2、3，生成线段2，再选择点3、4，生成线段3，再选择点2、5，生成线段4，单击OK。

（4）生成塔顶线：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>ByEndKPs&Rad命令，选取圆弧端点4和7，单击Apply按钮，选取点6，用于控制圆弧中心方向，单击Apply按钮，弹出对话框：

（5）旋转生成塔体：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>>Operate>Extude>Lines>AboutAxis命令，弹出对话框，输入要旋转的线“1,2,3,5”，单击Apply按钮，弹出对话框，输入旋转轴关键点“1000,6”，单击OK。

弹出SweepLinesAboutAxis对话框，单击OK。

同理，将4号线绕1000和6关键点旋转，生成如下几何模型：

2）建立塔的有限元模型

（1）为划分塔的几何模型，使之成为能用于计算的有限元模型，应先选定各条线然后设定各线的划分分数：

执行UtilityMenu>Sele