有限元输气管道最终版.docx

1、有限元输气管道最终版有限元工程实践报告题目： 输气管道有限元分析 学院：机械工程学院 班级：工程力学C091姓名： 吴 同 学号： 095622 指导教师： 范 慕 辉 河北工业大学 2012年 6月 25日一.摘要在当代社会，随着科学技术的不断发展，越来越多的社会需求反应了能源的重要性。天然气作为一种新型的高效能源面临着输送的困难，这要求对管道的受力进行分析以确保管道的正常使用。二.任务和要求：按照输气管道的尺寸及载荷情况,要求在ANSYS中建模，完成整个静力学分析过程。求出管壁的静力场分布。要求完成问题分析、求解步骤、程序代码、结果描述和总结五部分。所给的参数如下：材料参数：弹性模量E=2

2、00Gpa; 泊松比0.26；外径R=0.6m；内径R=0.4m；壁厚t=0.2m。输气管体内表面的最大冲击载荷P为 1Mpa。三.问题求解（一）问题分析 由于管道沿长度方向的尺寸远大于管道的直径，在计算过程中忽略管道的端面效应，认为在其长度方向无应变产生，即可将该问题简化为平面应变问题，选取管道横截面建立几何模型进行求解。 （二）求解步骤1. 定义工作文件名选择Utility MenuFileChang Jobname 出现Change Jobname对话框，在/FILNAM Enter new jobname 输入栏中输入工作名EXERCISE2，并将New log and eror fi

3、le 设置为YES，单击OK按钮关闭对话框2. 定义单元类型1）选择Main MeunPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delte命令，出现Element Type对话框，单击Add按钮，出现Library of Element types对话框。在Library of Element types复选框选择Strctural、Solid、Quad 8node 82,在 Element type reference number输入栏中出入1，如图36所示，单击OK按钮关闭该对话框。图36 “单元类型列表”对话框3）单击Element Type 对话框上的Opti

4、ons按钮，出现PLANE82 element type options对话框，在Element behavior K3下拉菜单中选择Plane strain，其余选项采用默认设置，如图37所示，单击OK按钮关闭该对话框。4）单击Element Type对话框上的Close按钮，关闭该对话框。图37 “PLANE82单元属性设置”对话框 3. 定义材料性能参数1）单击Main MeunPreprocessorMaterial PropsMaterial models出现Define Material Behavion 对话框。选择依次选择Structural、Linear、Elastic、Is

5、otropic选项，出现Linear Isotropic Material Properties For Material Number 1对话框。 2）在EX输入2e11，在Prxy输入栏中输入0.26，单击OK按钮关闭该对话框。 3）在Define Material Model Behavion 对话框中选择MaterialExit命令关闭该对话框。4.生成几何模型、划分网格： 1）选择Main MeunPreprocessorModelingCreateAreasCirclePartail Annulus出现Part Annulus Circ Area对话框，在WP X文本框中输入0，在

6、WP Y文本框中输入0，在Rad-1文本框中输入0.4，在Theta-1文本框中输入0，在Rad-2文本框中输入0.6，在Theta-2文本框中输入90，如图38所示，单击OK按钮关闭该对话框。 图38 “生成部分圆环面”对话框 图39 “面反射”拾取菜单 2）选择Utility MenuPlotCtrlsStyleColorsReverse Video，设置显示颜色。3）选择Utility MenuPlotAreas，显示所有面。4) 选择Main MenuPreprocessorModelingReflectAreas，出现Reflect Areas拾取菜单，如图39所示，单击Pick A

7、ll按钮，出现Reflect Areas对话框，在Ncomp Plane of Symmetry选项中选择Y-Z plane X，其余选项采取默认值，如图40所示，单击OK按钮关闭该对话框。5）选择Main MenuPreprocessorModelingReflectAreas出现Reflect Areas拾取菜单，单击Pick All按钮，出现Reflect Areas对话框，在Ncomp Plane of Symmetry选项中选择X-Z plane Y，其余选项采用默认设置，单击OK关闭该对话框。6）选择Main MeunPreprocessorNumbering CtrlsMerge

8、 Items出现Merge Coincident or Equivalently Defined Items，在Label Type of Item to be Merge 下拉列表中选择all ，如图41所示，单击OK按钮关闭该对话框。图40 “映射面”对话框 图41 “合并同位置或等效项目”对话框7）选择Main MeunPreprocessorNumbering CtrlsComprss Numbers，在Label Item to be Compressed下来列表中选择all，如图42所示，单击OK关闭该对话框。8）选择Utility MenuFileChange Title命令,出

9、现Change Title 对话框，在输入栏中输入GEOMETRIC MODEL，单击OK按钮关闭该对话框。9）选择Utility MenuPlotAreas命令，ANSYS显示窗口将显示所生成的几何模型。如图43所示。10) 选择Utility MenuPlotctrlsNumbering命令，出现Plot Numbering Controls 对话框，选中LINE Line Numbers选项，使其状态从OFF变为ON，其余选项采用默认设置，单击OK关闭对话框。图42 “压缩编号”对话框11）选择Utility MenuWorkplaneChange Active CS toGlobal

10、Cylindrical命令，将当前坐标系转换为柱坐标系。 12）选择Utility MenuSelectEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择by Location，在第三栏中选择X Coordinates单选项，在Min，Max选项中输入0.5，在第五栏中选择From Full单选项，如图44所示，单击OK关闭该对话框。 图43 生成的几何模型结果显示13）选择Main MeunPreprocessorMeshingSize CntrlsManualsizeLinesAll Lines命令，出现Element

11、Sizes on All Selected Lines对话框，在NDIV No.of element eivisions文本框中输入4，如图45所示，单击OK关闭该文本框。14）选择Utility MenuSelectEverything命令，选择所有实体。15）选择Utility MenuSelectNtities命令，出现Elect Ntities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择by Location，在第三栏中选择X Coordinates单选项，在Min，Max选项中输入0.5，在第五栏中选择Unselect单选项，单击OK关闭该对话框。16）选择Mai

12、n MeunPreprocessorMeshingSize CntrlsManualsizeLinesAll Lines命令，出现Element Sizes on All Selected Lines对话框，在NDIV NO. Of Element Divisions文本框中输入20，单击OK关闭该文本框。17）选择Main MeunPreprocessorMeshingMeshAreasFree命令，出现Mesh Areas拾取菜单，单击Pick All 按钮关闭该菜单。18）选择Utility MenuSelectEverything命令，选择所有实体。19）选择Utility MenuF

13、ileChange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏中输入ELEMENTS IN MODEL按钮关闭该对本框。 图44 “选择实体”对话框 图45 “设置线段单元尺寸”对话框20）选择Utility MenuPlotElements命令，ANSYS显示窗口将显示网格划分结果，如图46所示。21）选择Utility MenufileSave as命令，出现Save Database对话框，在Save Database to 文本中输入exercise21.db，保存上述操作过程，单击ok关闭该对话框。图46 网格划分结果显示5.加载求解： 1）选择Main Menu

14、SolusionAnalysis TypeNew Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK按钮关闭给对话框。 2）选择Main MenuPlotLines命令，显示所有线段。 3）选择Main MenuSelectEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择By Num/Pick，在第三栏中选择From Full单选项，单击OK按钮，出现Select Lines拾取菜单，在文本框中输入3，6，10，12 单击OK按钮关闭对话框。 4）选择Main MenuSelec

15、tEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择Attached to，在第三栏中选择Lines，All 单选项， 在第四栏中选择From All单选项，单击OK关闭该对话框。 5）选择Main MenuSolusionDefine LoadsApplyStructuralPressureon Nodes命令，出现Apply PRES on Nodes拾取菜单，如图47所示，单击Pick All 按钮，出现Apply PRES on Nodes对话框，参照图48对其进行设置，单OK关闭该对话框。 6）选择Main Men

16、uSelectEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择By Num/Pick，在第三栏中选择From Full单选项，单击OK按钮，出现Select Lines拾取菜单，在文本框中输入2，9 单击OK按钮关闭对话框。 7）选择Main MenuSelectEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择Attached to，在第三栏中选择Lines，All 单选项， 在第四栏中选择From All单选项，单击OK关闭该对话框。图47 “在节点

17、上施加压力载荷”拾取菜单图48 “在节点上施加压力载荷”对话框8）选择Main MenuSolusionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementon Nodes命令，出现Apply U,ROT on N拾取菜单，如图49，单击Pick All 按钮，出现Apply U,ROT on Nodes对话框，参照图50对其进行设置，单OK关闭该对话框。 图49 “在节点上加位移约束”拾取菜单图50 “在节点上施加位移约束”对话框 9）选择Main MenuSelectEntities命令，出现Selec Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在

18、第二个下拉列表中选择By Num/Pick，在第三栏中选择From Full单选项，单击OK按钮，出现select lines拾取菜单，在文本框中输入4，7 单击OK按钮关闭对话框。 10）选择Main MenuSelectEntities命令，出现Select Entities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择Attached To，在第三栏中选择Lines，All 单选项， 在第四栏中选择From All单选项，单击OK关闭该对话框。 11）选择Main MenuSolusionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementon

19、 Nodes命令，出现Apply U,ROT on N拾取菜单，单击Pick All 按钮，出现Apply U,ROT on N对话框，在Lab2 DOFs to be Contrained列表框中选择UY，在Apply as 下拉列表中选择Constant value，在VALUE Displacement value文本框中输入0，单击OK按钮关闭该对话框。 12）选择Utility MenuSelectEverything命令，选择所有实体。 13）选择Utility MenuFileSave as命令，出现Save Database对话框，在Save Database to 文本中输入

20、LEILIN10074723-2.db，保存上述操作过程，单击OK关闭该对话框。 14）选择Main menuSolutionSolveCurrent LS命令，出现Solve CurrentLoad Step对话框，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。 15）求解结束时，出现Note提示框，单击Close关闭该对话框。 16）选择Utility MenuFileSave As命令，出现Save Database对话框，在Save Database to 文本中输入exercise22.db，保存上述操作过程，单击OK关闭该对话框。四.查看求解结果：1）选择Utility MenuFileC

21、hange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏中输入CONTOUR OF SUM DISPLACEMENTS，单击OK按钮关闭该对话框。2）选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour TitleNodal Solu命令，出现Controur Nodal Soulution Data对话框，在 Item to becontonred选项框中选择NodalSolutionDOF solution Displacement Vector SUM，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示位移场等值线图。如图51所示。此图清楚地表

22、现了最大位移的地方时管道内侧，其值为0.0550微米；最小位移为0.0448微米，在管道壁外侧。3）选择Utility MenuFileChange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏中输入STRESS CONTOUR IN X DIRECTION，单击OK按钮关闭该对话框。4）选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour plotNodal Solu命令，出现Controur Nodal Soulution Data对话框，在 Item to Becontonred选项框中选择NodalSoulutionStress

23、X-Component of Stress，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示X方向应力等值线图。如图52所示。5）选择Utility MenuFileChange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏中输入STRESS CONTOUR IN Y DIRECTION，单击OK按钮关闭该对话框。6）选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour plotNodal Solu命令，出现Controur Nodal Soulution Data对话框，在 Item to becontonred选项框中选择Nodal Soulu

24、tionStress Y-Component of Stress，单击【OK】按钮，ANSYS显示窗口将显示Y方向应力等值线图。如图53所示。图52，图53分别为X方向和Y方向应力等值线图，两幅图直观的将管道的应力分布展现出来，其所受最大应力的地方均为管道的内侧，数值均为2.59MPa，最小值出现在管道壁的外侧，数值为0.992Mpa，由数值判断管道壁受到挤压。7）选择Utility MenuFileChange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏中输入CONTOUR OF EQUIVALENT STRESS，单击OK按钮关闭该对话框。8）选择Main MenuGe

25、neral PostprocPlot ResultContour PlotNodal Solu命令，出现Controur Nodal Soulution Data对话框，在 Item to becontonred选项框中选择Nodal SoulutionStress von Mises stress，单击【OK】按钮，ANSYS显示窗口将显示等效应力等值线图。如图54所示。此图表明受内压管道的最大等效应力为3.13Mpa,最小等效应力产生在输气管道的外侧，其数值为1.44MPa。9）选择Utility MenuFileChange Title命令,出现Change Title 对话框，在输入栏

26、中输入CONTOUR OF EQUIVALENT STRIAN，单击OK按钮关闭该对话框。10）选择Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour PlotNodal Solu命令，出现Controur Nodal Soulution Data对话框，在 Item to becontonred选项框中选择Nodal SoulutionTotal Ttrainvon Mises total strain，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示等效应变等值线图，如图55所示。此图表明最大等效应变产生在输气管道的内侧，数值为15.6微米，而在最外侧产生最小等效应变，数值为7.18微米。5.结果分析： 由上述计算产生的位移等值线图，应力等值线图以及等效应力和等效应力等值线图，可以清晰直观的看到，当输气管道受到内压时，最大的位移，最大的应力，均产生在管道的内侧，这与使用弹性力学计算得到了一致的结果。由此可见，当管道使用时，首先产生破坏的地方是管道的内侧，这就使得校核管道强度的时候应首先校核管道的内侧，当管道内侧强度达到要求时，整个管道本身也会达到要求。