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

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16，筒体内径为900，筒体壁厚为T1=100，封头壁厚为T2=48，筒体削边长度95，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1200。

有限元采用82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,在总路径下建立子路径，工作文件名取为01

（2）设置标题：

执行>命令，弹出命令，输入01，单击按钮，关闭对话框。

（3）初始化设计变量：

执行>>命令，弹出对话框，输入数据。

2、定义单元材料

（1）定义单元类型：

执行>>>命令，弹出对话框，单击按钮，弹出对话框。

（2）单击，退回至对话框。

（3）设置对称轴选项：

在对话框中，单击按钮，设置82选项，在K3下拉框中选择，单击。

（4）定义材料属性：

执行>>>命令，弹出如下对话框：

（5）单击项，弹出如下对话框：

3、创建模型

（1）生成球壳部分子午面：

执行>>>>>>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>>>>>>2命令。

（3）旋转、偏移工作面：

执行>>命令,弹出对话框，在一栏输入“0，-90”，单击按钮，再在一栏输入“0，0，L“，完成偏移，单击。

（4）选择球壳部分子午面：

执行>>命令,弹出对话框，在下拉框中选择、、Y,在一栏中输入“0，R22”,单击。

（5）用工作面分割球壳子午面：

执行>>>>>>命令，弹出对话框，单击“”按钮。

（6）删除球壳应删除的部分：

执行>>>>命令，弹出拾取框，选中编号为4的面，单击按钮。

（7）提取定义过渡段的节点：

在命令流输入框中输入K1（R1,0,0）2（R11,0,0）,分别提取定义过渡段的节点1，2。

执行>>命令,弹出对话框，在下拉框中选择、、Y,在一栏中输入“L，0”，单击按钮。

再在命令流输入框中输入“*3”,”*4,分别提取定义过渡段的节点3，4。

（8）全选择：

执行>>命令。

（9）生成过渡段子午面：

执行>>>>>命令，弹出拾取框，选中8,7,9,10的四个关键点，单击，生成：

4、网格划分

（1）剖分与壁厚相关的线段：

执行>>>>>命令，弹出拾取框，选中编号为2,5,7,9的4条壁线，单击按钮，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，将设定为，剖分比例设定为1，单击。

（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，将设定为，剖分比例设定为，单击。

（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，将设定为，剖分比例设定为，单击。

（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，将设定为，剖分比例设定为1，单击。

5、施加载荷与约束

（1）选择筒体低端各节点：

执行>>命令,弹出对话框，

（6）全选择：

执行>>命令。

（7）划分网格:

执行>>>>>>34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>>命令,弹出对话框，设定选择模式、、Y、,在文本框中输入。

（2）在所选节点上施加Y方向约束：

执行>>>>>>

>命令，单击“”按钮。

弹出对话框：

（3）选择X坐标的0节点：

执行>>命令,弹出对话框，设定选择模式、、X、,在文本框中输入0,单击。

（4）在所选节点上施加X方向约束：

执行>>>>>>

.>命令，弹出对话框：

（5）单击，生成图形：

（6）选择内壁对应的线段单元：

执行>>命令,弹出对话框，设定选择模式、、,单击。

弹出对话框，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>>命令,弹出对话框，设定模式、、、,单击。

（8）在节点上施加均布压力：

执行>>>>>>命令,弹出对话框，单击“”按钮，在文本中输入P，单击。

生成图：

6、求解

（1）选择所有节点和单元：

执行>>命令。

（2）求解：

执行>>>命令，单击开始求解对话框按钮。

7、结果后处理

查看节点应力云图：

执行>>>>命令，弹出对话框，单击，单击，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208.798。

在题目中筒体材料的屈服应力425，材料的安全系数均为

，则：

允许的最大应力为

=425/1.5=283.333

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50,封头厚度为36时，最大应力为272.361

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46,封头厚度为30时，最大应力为293.851

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48，封头厚度为30时，最大应力为282.339

从上面可知：

筒体最优厚度为48，封头的最优厚度为30，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8.8，设计温度为347℃。

材料为2—1，弹性模量2.0×105，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115.5，筒体及封头主体1=153.5。

设备总重274000。

h形锻件尺寸为：

筒体内半径R1=1446.5，壁厚为t1=91，封头内半径R1=145605，壁厚为t2=56，裙座壁厚t3=24,锻件高度568，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,在总路径下建立子路径，工作文件名取为02

（2）设置标题：

执行>命令，弹出命令，输入02，单击按钮，关闭对话框。

（3）初始化设计变量：

执行>>命令，弹出对话框，输入数据。

2、定义单元材料

（1）定义单元类型：

执行>>>命令，弹出对话框，单击按钮，弹出对话框。

（2）单击，退回至对话框。

（3）设置对称轴选项：

在对话框中，单击按钮，设置82选项，在K3下拉框中选择，单击。

（4）定义材料属性：

执行>>>命令，弹出如下对话框：

（5）单击项，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>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入1，单击按钮，生成坐标为（0,0,0）关键点1。

再依次输入点2（2，，），点3（2，，），点5（2，，），点6（2，，）点7（（6）1，，）。

（2）连线：

执行>>>>>>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。

（3）画包含裙座连接侧过度圆弧的圆：

执行>>>命令，记录关键点7（0.12504，-545,0）。

再执行执行>>>>>>&命令，弹出圆心位置拾取框，单击,再文本框中输入（0.12504，-545,0），单击按钮，弹出圆周任一点位置拾取框，在文本框中输入（0.12504，-5451,0），单击按钮，弹出&对话框，直接单击。

（4）删除多余圆弧：

执行>>>>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。

（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，（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“,12”。

生成圆心位置在关键点1，半径大小为2的圆。

（9）删除多余圆弧：

执行>>>>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。

（10）线段相减：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段10，单击按钮，再选则相减线段6，单击。

（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>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入30，输入坐标（（10）2（8）2,0）单击按钮。

再在中输入40，单击按钮，输入坐标（（8）（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“,122”。

生成圆心位置在关键点1，半径大小为22的圆。

（16）求交点以确定内侧过度圆弧中心：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段7，单击按钮，再选则相减线段12，单击。

（17）删除多余圆弧：

执行>>>>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。

（18）删除多余的关键点：

执行>>>>命令,弹出拾取框，选择编号为30的点，单击。

（19）删除多余线段：

执行>>>>命令,弹出拾取框，依次选择编号为9、10、11三条线段，单击。

（20）画包含内侧过度圆弧的圆：

在命令流中输入“,14，2”成圆心位置在关键点14，径大小为2的圆。

（21）删除7、10、11三条多余的线段。

（22）生成辅助线：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“1,14,13”，单击按钮，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>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入5000，坐标为（（14）（14）,0），单击。

（24）线段相减：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段9，单击按钮，再选则相减线段7，单击。

（25）删除编号为12的线段。

（26）生成辅助线

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“7,14,7”。

（27）线段相减：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段6，单击按钮，再选则相减线段10，单击。

（28）删除编号为12的线段。

（29）线段相减：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段8，单击按钮，再选则相减线段7，单击。

（30）删除编号为6的线段。

（31）重新定义球壳中心：

执行>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入1，单击按钮，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“,1，2”成圆心位置在关键点14，径大小为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>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入40，单击按钮，生成坐标为（（3）（7）,0）关键点1。

（35）生成辅助线：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“3,40,37”，单击按钮，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>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段12，单击按钮，再选则相减线段6，单击。

（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>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入100，坐标为（（5）（5）1,0），单击按钮，生成关键点100；再在中输入200，坐标为（（6）（6）1,0），单击按钮，生成关键点200.

（40）生成裙座底面线段：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“100,200,100“，单击按钮。

（41）生成筒体端面线段的关键点：

执行>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入300，坐标为（（3）（3）2,0），单击按钮，生成关键点100；再在中输入200，坐标为（

（2）

（2）2,0），单击按钮，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>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“300,400,100”，单击按钮，再依次输入“11,300,289”，“2,400,398”，“5,100,95”，“6,200,194”，单击按钮.

（44）定义应力评定路径所需关键点：

执行>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入800，输入坐标（

（2）（11）,0）单击按钮。

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

（45）生成辅助线：

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，选择选项，，在文本框中输入“1,5000,4999”，单击按钮，生成辅助线。

（46）线段相减

执行>>>>>>命令，弹出拾取框，首先选择被减线段13，单击按钮，再选则相减线段15，单击。

（47）删除编号为2的线段。

（48）定义面域：

执行>>>>>>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。

4、网格划分

（1）定义单元尺寸：

执行>>>>>>，弹出：

（2）剖分网格：

执行>>>>>命令，弹出拾取框，单击按钮。

（3）外侧圆弧网格加密：

执行>>>>>命令，弹出对话框，选中编号为4,11的外、内侧圆弧，单击。

设定为1，单击。

5、施加载荷与求解

（1）内表面施加压力：

执行>>>>>>

>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>>>>>>

>命令，弹出对话框选择内表面为1的三条线段，单击。

弹出对话框：

（3）裙座底端线段施加轴向位移约束：

执行>>>>>>

>命令，弹出对话框选择内表面为3的三条线段，单击。

弹出对话框：

（4）封头对称面施加X向位移约束：

执行>>>>>>

>命令，弹出对话框选择内表面为7的三条线段，单击。

弹出对话框,在2中选择。

（5）求解：

执行>>>命令，进行求解。

6、结果后处理

（1）查看应力云图：

执行>>>>命令，弹出对话框，单击，单击，显示结果：

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Φ6400×30975m，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18mm，充焦段筒体壁厚为22mm，下筒体与锥形封头过渡段半径为3200mm，壁厚为22mm，上封头为半球形，内半径为3200mm，壁厚为18mm，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1.824859E11，密度为7.85E33,泊松比为0.3；焦炭的弹性模量为4.20E8，密度为0.8E33,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63单元，焦炭采用45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,在总路径下建立子路径，工作文件名取为03

（2）设置标题：

执行>命令，弹出命令，输入03，单击按钮，关闭对话框。

（3）初始化设计变量：

执行>>命令，弹出对话框，输入数据。

2、定义单元材料

（1）定义单元类型：

执行>>>命令，弹出对话框，单击按钮，弹出

单击按钮，退回至对话框，定义2号材料：

（2）定义1号材料属性：

执行>>>命令，弹出如下对话框：

（3）双击标识：

单击按钮，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，为4.20E8，为0.3，为0.8E3。

（5）定义实常数号1属性：

执行>>>命令,弹出对话框，单击，选择1，单击按钮，弹出如下对话框：

再用同样的方法定义实常数号2属性，（I）。

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>>命令，打开对话框：

（2）生成塔壁关键点：

执行>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入1，坐标为（,0,0），单击按钮，生成关键点1，再依次输入2（,0），3（,0）,4（,0）,5（,0）,6（0,0）,7（0,0）1000（0,0,0）

（3）生成塔壁线：

执行>>>>>>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。

（4）生成塔顶线：

执行>>>>>>命令，选取圆弧端点4和7，单击按钮，选取点6，用于控制圆弧中心方向，单击按钮，弹出对话框：

（5）旋转生成塔体：

执行>>>>>>>命令，弹出对话框，输入要旋转的线“1,2,3,5”，单击按钮，弹出对话框，输入旋转轴关键点“1000,6”，单击。

弹出对话框，单击。

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>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、Y、,在一栏中输入“0”,单击按钮，同理，将改为,在一栏中输入“”,单击按钮，再在一栏中输入“，，”,单击。

（2）设定上步选择的线划分份数：

执行>>>>>>，弹出划分分数对话框：

（3）激活Y轴为坐标轴的柱坐标系：

执行>>>Y命令。

（4）参照建立塔的有限元模型的1，以坐标系选取直线：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、X、,在一栏中输入“0.0010.001”,单击按钮，重新设定、、Z、,在一栏中输入“0.0010.001”,单击按钮，在一栏中输入“”,将改为，单击。

（5）设定4选择的线划分份数：

重复步骤2，将设为12。

（6）选择线用于划分网格：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、、,在一栏中输入“0.0010.001”,单击。

（7）设定6选择的线划分份数：

重复步骤2，将设为8。

（8）选择线用于划分网格：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、、,在一栏中输入“0.0010.001”,单击。

（9）设定8选择的线划分份数：

重复步骤2，将设为40。

（10）全选择：

执行>>命令。

（11）选择要划分的面：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、Z、,在一栏中输入“0,”,单击。

（12）指定将要划分单元的属性：

执行>>>>>命令，弹出对话框：

（13）指定划分网格方式：

执行>>>命令，弹出对话框：

（14）划分网格:

执行>>>>>>34命令，弹出对话框，单击按钮，划分网格：

（15）继续选择面：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、Z、,在一栏中输入“”,单击。

（16）激活15选择面对应单元的属性：

执行>>>>>命令，默认情况下为163为1，修改，并指定为2.。

（17）划分塔体：

执行>>>>>>34命令，弹出对话框，单击按钮，划分网格：

（18）合并与压缩元素：

执行>>命令，选中所有元素，然后执行执行>>>命令：

执行>>>命令,弹出对话框：

3）建立焦炭几何模型和有限元模型：

（1）激活笛卡尔坐标系：

执行>>>命令。

（2）建立关键点：

执行>>>>>命令,弹出下列对话框，在中输入1000，输入坐标（0,0）单击。

（3）由关键点生成面：

执行>>>>>>命令，对话框中选取1001,13,17关键点，单击按钮，对话框中选取1001,17,2关键点，单击按钮，对话框中选取1001,2,9关键点，单击按钮，对话框中选取1001,9,13关键点，单击按钮。

（4）选择将要划分网格的面：

执行>>命令,弹出对话框，弹出对话框，在下拉框中选择、、Y、,在一栏中输入“”,单击。

（5）划分面网格:

执行>>>>>>34命令，弹出对话框，单击按钮，划分网格。

（6）设定单元属性：

执行>>>>>命令，默认情况下为245为2。

（7）设置延伸操作选项：

执行>>>>>命令，出现如下对话框：

（8）将面网格延伸体网格：

执行>>>>>>命令，弹出面选择对话框，单击按钮，弹出延伸操作对话框：

（9）设置延伸操作选项：

执行>>>>命令，出现如下对话框：

（10）选择要延伸的面：

执行>>命令,弹出对话