CADCAE课程设计 长江大学过程装备与控制ansys.docx

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CADCAE课程设计长江大学过程装备与控制ansys

CAD/CAE软件实践报告

专业班级

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

高压容器筒体与封头连接处应力分析

1、问题描述

某高压容器设计压力为P=16MPa，筒体内径为R=900mm，筒体壁厚为T1=100mm，封头壁厚为T2=48mm，筒体削边长度L=95mm，试对该高压容器筒体与封头连接区进行应力分析，并进行优化。

2、分析问题

由于主要讨论封头与筒体过渡区的应力状态，故忽略封头上其他结构，建立如下模型，其中筒体长度远大于边缘应力衰减长度，此处取用体长度为Lc=1200mm。

有限元采用PLANE82单元，并设定轴对称选项。

通体下端各节点约束轴向位移，球壳对称面上各节点约束水平位移，内部施加均匀压力面载荷。

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wb01

（2）设置标题：

执行UtilityMenu>ChangeTitle命令，弹出ChangeTitle命令，输入wb01，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）生成球壳部分子午面：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>PartialAnnulus命令，弹出如下对话框（左），生成图形（右）：

（2）生成筒体子午面：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By2Corners命令。

（3）旋转、偏移工作面：

执行UtilityMenu>Workplane>OffsetWPbyIncrements命令,弹出OffsetWP对话框，在Degrees一栏输入“0，-90”，单击Apply按钮，再在Snaps一栏输入“0，0，L“，完成偏移，单击OK。

（4）选择球壳部分子午面：

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，在下拉框中选择Area、ByLocation、Ycoordinates,在Min,Max一栏中输入“0，R2+T2”,单击OK。

（5）用工作面分割球壳子午面：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>AreabyWorkplane命令，弹出对话框，单击“PickAll”按钮。

（6）删除球壳应删除的部分：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>AreaandBelow命令，弹出拾取框，选中编号为4的面，单击OK按钮。

（7）提取定义过渡段的节点：

在命令流输入框中输入K1=KP（R1,0,0）,K2=KP（R1+t1,0,0）,分别提取定义过渡段的节点1，2。

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，在下拉框中选择Keypoints、ByLocation、Ycoordinates,在Min,Max一栏中输入“L，0”，单击OK按钮。

再在命令流输入框中输入“*get,k3,kp,,num,min”,”*get,k4,kp,,num,min,分别提取定义过渡段的节点3，4。

（8）全选择：

执行UtilityMenu>Select>Everything命令。

（9）生成过渡段子午面：

执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>AreasArbitrary>ThroughKPs命令，弹出拾取框，选中8,7,9,10的四个关键点，单击OK，生成：

4、网格划分

（1）剖分与壁厚相关的线段：

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>Lines>PickedLines命令，弹出拾取框，选中编号为2,5,7,9的4条壁线，单击Apply按钮，弹出如下对话框：

（2）剖分筒体内壁径向线段：

重复

（1），选中编号为8的筒体内壁径向线段，将NDIV设定为nc，SPACE剖分比例设定为1/ra，单击OK。

（3）剖分筒体外壁径向线段：

重复

（1），选中编号为6的筒体外壁径向线段，将NDIV设定为nc，SPACE剖分比例设定为ra，单击OK。

（4）剖分球壳内外壁径向线段：

重复

（1），选中编号为9、10的球壳内外壁径向线段，将NDIV设定为nc，SPACE剖分比例设定为ra，单击OK。

（5）剖分过渡段内外壁径向线段：

重复

（1），选中编号为1、3的过渡段内外壁径向线段，将NDIV设定为nc，SPACE剖分比例设定为1/ra，单击OK。

5、施加载荷与约束

（1）选择筒体低端各节点：

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，

（6）全选择：

执行UtilityMenu>Select>Everything命令。

（7）划分网格:

执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3or4side命令，划分网格：

5、施加载荷与约束

（1）选择筒体底端各节点：

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，设定选择模式Nodes、ByLocation、Ycoordinates、FromFull,在文本框中输入-LC+L。

（2）在所选节点上施加Y方向约束：

执行MainMenu>Preprocessor>Loads>Defineloads>Apply>Structural>

Displacement>OnNodes命令，单击“PickAll”按钮。

弹出对话框：

（3）选择X坐标的0节点：

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，设定选择模式Nodes、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在文本框中输入0,单击OK。

（4）在所选节点上施加X方向约束：

执行UtilityMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>

SymmetryB.C.>OnNodes命令，弹出对话框：

（5）单击OK，生成图形：

（6）选择内壁对应的线段单元：

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框，设定选择模式Lines、ByNum/Pick、FromFull,单击OK。

弹出SelectLines对话框，选中编号为3,8,10的三条线段。

（7）选择依附在所选单元上的节点:

执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出SelectEntities对话框，设定模式Nodes、Attachedto、Linesall、FromFull,单击OK。

（8）在节点上施加均布压力：

执行UtilityMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Pressure>OnNodes命令,弹出ApplyPressureOnNodes对话框，单击“PickAll”按钮，在Value文本中输入P，单击OK。

生成图：

6、求解

（1）选择所有节点和单元：

执行UtilityMenu>Select>Everything命令。

（2）求解：

执行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令，单击开始求解对话框OK按钮。

7、结果后处理

查看节点应力云图：

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：

4、计算结果与分析

（1）由上图可知最大应力发生在封头处，最大应力为208.798MPa。

在题目中筒体材料的屈服应力425MPa，材料的安全系数均为

，则：

允许的最大应力为

=425/1.5=283.333MPa

可见强度满足要求，但是筒体厚度过厚，造成了很大的浪费。

（2）结构优化

从分析图可以看出筒体和封头过厚，现优化如下取值：

1、同时减少封头，筒体厚度

当筒体厚度为50mm,封头厚度为36mm时，最大应力为272.361MPa

2、由上图可知，封头厚度可以继续优化，而筒体厚度可以在适当调整。

当筒体厚度为46mm,封头厚度为30mm时，最大应力为293.851MPa

3、由图可知筒体厚度已经过薄，需再一次调整封；封头厚度已达到合适值：

当筒体壁厚为48mm，封头厚度为30mm时，最大应力为282.339MPa

从上面可知：

筒体最优厚度为48mm，封头的最优厚度为30mm，此时既能够满足要求，又最省材料。

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=274000kg。

h形锻件尺寸为：

筒体内半径R1=1446.5mm，壁厚为t1=91mm，封头内半径R1=145605mm，壁厚为t2=56mm，裙座壁厚t3=24mm,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）