压力容器有限元分析报告.docx

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压力容器有限元分析报告

有限元的分析简介随着科技的进一步发展，传统的分析方法已不能满足现在社会的需求，以及更不能满足一些问题的精确分析，而有限元的出现和应用给机电、土木、航天等工业领域带来了历史性的突破。

ANSYS是有限元的应用软件，主要用于几何和网格划分、多物理场、结构力学、流体动力学、非线性结构、仿真过程及数据管理、显示动力学等多领域的应用

有限元法是求解工程科学中数学物理问题的一种通用数值方法。

本书介绍有限元法的基本原理、建模方法及工程应用，强调理论与实践的结合。

全书包括两篇共16章，第1篇由第1〜10章组成，介绍有限元法的基本理论和方法，容包括：

有限元法基本理论、平面问题、轴对称问题和空间问题、杆梁结构系统、薄板弯曲问题以及热传导问题、结构动力学问题、非线性问题的有限元法。

有限元主要介绍有限元建模技术及基于ANSYS勺有限元分析工程应用，容包括：

有限元建模的基本流程、模型简化技术、网格划分技术、边界条件处理与模型检查以及基于ANSYS勺有限兀分析工程应用实例

创新实践课题：

压力容器的有限元应力分析与设计

一、问题描述

1、如图1所示为一台①700立式储罐，其手孔的直径为①88,材料为16MnR设计压力为13.5Mpa,工作压力为12.3Mpa,弹性模量为201GPa泊松比为0.3,要求利用有限元分析对此压力容器进行应力分析设计。

2、立式储罐用途：

主要用于储存气体，如燃气等，因为储罐密封性能好且能承受较高的压力，所以将气体压缩成液体后，方便于储存在储罐。

二、设计基本参数如下表：

弹性模量

201Gpa

工作压力

12.3Mpa

设计压力

13.5Mpa

储罐直径

700

手孔直径

88

泊松比

0.3

材料

16MnR

螺栓力

82109N

封头直径

146

壁厚

34

圆弧面直径

18

封头厚

15

图1

在压力容器的应力分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”代替校核截面。

该容器轴对称，所以只需考虑对储罐上半部分进行分析设计。

法兰上的螺栓力可以转化为一个集中力F,且F=82109N

三、结构壁厚计算

1.筒体厚度

计算厚度：

PCDi

2KSm

Pc

设计厚度：

dC2

C1

名义厚度：

n34mm

有效厚度：

enC2

C1

2.椭圆形封头厚度

标准椭圆封头

计算厚度：

R0.0165

设计厚度：

d

C2

Cl

名义厚度：

n

18mm

有效厚度：

e

nC2

Cl

3.手孔厚度

有限元建模分析

本次分析采用ansys10.0建立有限元分析和应力设计

一、GUI操作方式

定义工作文件名和工作标题

（1）定义工作文件名：

执行changejobname，文件名命名为wuzu

（2）定义工作标题：

执行changetitle命令，对文件的压力进行分析

（3）关闭三角坐标符号定义单元类型和材料属性

（1）选择单元类型：

在elementtypes命令中选择strucralsolid

和quad8node82

（2）设置单元选项：

在elementtypeoption命令框中选择k3为axisymmertic

（3）设置材料属性：

在materialnumber命令框中设置ex为2.01e11，prxy为0.3

二、建立几何模型

（1）生成矩形面，在bydimensios中设置三个矩形面数据如下：

350,

384，0,280

44,146,795.3,846.3,44，

62,600,742.8

（2）生成部分圆环面：

执行partialannulus命令框中设置

wpx,wpy,,theta1,rad,theta2,分别为0,280,355,8.75,373,63，

0,280,355,67,6383,90

（3）面叠分操作：

执行booleans下的areas命令A3和A5的面进

行叠加

（4）删除面操作：

执行delete下的below命令，选择A6和A8的面

（5）线倒角操作：

执行lines下的linesfillet命令，选择要倒角的两条线在rad文本框中输入20，这则另一倒角的两条线，在RAD文本中输入10

（6）线生成面操作：

点击bylines命令选择如下两组三条线生成两个面

（7）面相减操作，在boolsean下的areas选择A10和A3两个面生成如下图

（8）面向加操作：

在boolsean下的addaaread选择如下四个面生成如下图

生成关键点：

选择A2面中的L5在lineratio选项框中输入0.348生成关

（9）生成关键点：

在ratio下输入lineratio=0.348,生成关键点

21.

（10）生成线，拾取“15,20”“22,19”“14,17”“11,21”“3,13”“4,16”“5,12”“21,5”“24,18”关键点生成九条线。

再生成面。

（11）面分解操作：

在AreabyLine下，拾取A2,A3,A10面，拾取L33,L27,L26线，生成的图形如图所示。

V

莒“2J.益1』kJL11JL_3L-IU1上Ti&uk.

（12）进行编号压缩操作

（13）合并关键点：

执行MergeItems命令，弹出图所示。

选择

Keypoints。

（14）保存几何模型

三、划分有限元网格

（1）连接线过渡圆弧线：

执行Lines命令，拾取L22、L8和L28的线，单击0K按钮。

（2）设置单元尺寸：

执行MeshTool命令，弹出划单击Set按钮，

拾取L1、L3、L15、L13、L19、L25、L26、L10、L27和L31的线，弹出ElementSixesonPickedLines对话框。

输入NDIV=4

（3）设置全局单元尺寸：

MeshTool命令，在SIZE文本框中输入20。

（4）戈吩网格：

生成的有限元网格如图所示:

AN

miiOlfli

IIbOSU

四、施加载荷并求解

（1）在线上施加面载荷：

执行PressurelOnLines命令，拾取L4、

L17、L14、L20、L30、L22、L8、L28、L24、L9和L7的线。

弹出对话框，在LoadPRESvalue文本框中输入13.5。

（2）施加集中载荷：

执行OnNodes命令，拾取编号为708的关键

点。

弹出如图所示对话框。

在Directionofforce/mom中选择FY,

然后在Force/momentvalue文本框中输入82109。

（3）显示单元：

执行PlotElement命令，生成结果如图所示

（4）求解运算：

执行Solve-CurrentLS命令，浏览后执行File/Close命令，在Solutionisdone对话框时单击Close按钮完成求解运算＜

（5）保存分析结果

五、浏览运算结果

（1）显示变形形状:

-1

wjmo

a-AiM'.LysX■deax-crtofTf^i£

容器施加载荷就会产生力，而容器壁受到力的作用将产生形变，变形量随力的大小改变，所以图中所出现的变形不同是因为其受到的力的大小不同，所以容器的制作要根据实际用途设计，其各个部位所使用的材料的量要合适。

变形公式为：

F=ps

所出结果符合设计要求。

（2）显示节点位移云图：

生成结果如图所示：

&.flitiKI.14SC-K

EjSE-M.UZ11-E4昇j#眶TB舀

>t-3LJti—a-Jfcse*丄二pjt上deax-crtGfTfh£

容器受到力的作用容器壁产生变形就会出现节点的位移变化，变

形量不同，节点位移也不同，符合设计要求

（3）显示节点的VonMises应力：

生成结果如图所示

1-0$SL.SUItL.W131.

41..511am-fiiS汕l..曲I

>fczLJti—siAi^r-Ljs±■deax-crcafTlxs:

对设计载荷作用下进行有限元分析，并对分析结果进行应力强度

评定。

评定的依据为JB4732-199《钢制压力容器一一分析设计标准》

应力线性化路径的选择原则为：

（1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；

（2）对于相对高应力强度

区，沿壁厚方向设定路径。

设计工况下的评定线性化路径如下图所示，线性化结果如下图所示，都符合设计要求。

（4）在路径上映射数据的图形显示:

生成如图所示：

.^ti-s-d*iX^rcofTrzj：

£

iTXl-2I-1riHfci

NlTIFUJI

以图形显示当前路劲上

（6）

主应力及相关的应力强度

（5）图形显示当前路径上应力线性化结果:

的所有应力分

疲劳分析校核

最高压力工况与最低压力工况下设备的最大应力强度均出现在接管

与圭寸头相贯区的壁，通过计算，疲劳校核通过。

分析结论

附录

PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGASECTIONDEFINEDBYPATH=PATH2

DSYS=0

*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****

INSIDENODE=395OUTSIDENODE=350

LOADSTEP1SUBSTEP=1

TIME=1.0000LOADCASE=0

**AXISYMMETRICOPTION**RHO=0.28417E+14

THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINSECTIONCOORDINATES.

SX

SY

SZ

SXY

SYZ

SXZ

2.339

124.6

141.1

-0.3136

0.000

0.000

S1

S2

S3

SINT

SEQV

141.1

124.6-

-2.340

143.4

.9

**BENDING

**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SX

SY

SZ

SXY

SYZ

SXZ

2.415

3.624

MEMBRANE**

I-8.726

0.000

C-2.528

0.000

O3.669

0.000

S1S2

3.6242.415

0.1974E-01

0.3828E-12

0.000

0.000

-2.376

-3.624

0.000

0.000

0.000

0.000

0.1974E-010.000

3.669-2.376

S3SINT

-8.72612.35

-2.5282.548

-3.6247.293

SEQV

11.79

2.538

6.756

**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SX

I-11.07

SY

SZSXY

127.0

SYZ

144.7

SXZ

-0.3136

0.000

0.000

C-4.8