加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析.docx

1、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20122013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2Cr1Mo，弹性模量E=2.0105MPa，泊松比=0.3。设计温度下材料的设计应力强度：裙座锻造结构Sm=115.5 MaP，筒体及封头主体Sm1=153.5 MaP。 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.

2、5mm，壁厚为t2=55 mm，裙座壁厚t3=23.5mm,锻件高度H=568 mm，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Utility MenuChange Ti

3、tle命令，弹出Change Title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Utility MenuParamertersScalar Paramerters命令，弹出Scalar Paramerters对话框，输入数据。 2、定义单元材料 （1）定义单元类型：执行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Type对话框，单击Add按钮，弹出Library of Element Types 对话框。 （2）单击OK，退回至Element Type对话框。 （3）设置对称轴选项：

4、在Element Type对话框中，单击Option按钮，设置PLANE82 element type options 选项，在Element behavior K3 下拉框中选择 Axisymmetric，单击OK。 （4）定义材料属性：执行Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS命令,弹出下列对话

5、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Main MenuPreprocessorModelingCreateLines LinesIn Active Cooder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

6、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Utility MenuList KeypoingtsCoordinates+Attributes命令，记录关键点7（0.151E+04，-545,0）。再执行执行Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsBy Cent & Radius命令，弹出圆心位置拾取框，单击Global Cartesian,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

7、Apply按钮，弹出ArcsBy Cent & Radius对话框，直接单击OK。 （4）删除多余圆弧： 执行Main MenuPreprocessorModeling DeleteLine and Below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

8、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Main MenuPreprocessorModeling DeleteLine and Below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Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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

9、点。 （13）定义辅助关键点 执行Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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

10、为fengt_do/2+xyhr2的圆。 （16）求交点以确定内侧过度圆弧中心： 执行Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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Main MenuPreprocessorModeling DeleteLine Only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Main MenuPreprocessorModeling Delete K

11、eypoingts 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Main MenuPreprocessorModeling DeleteLine Only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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框

12、，选择Min Max Inc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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line命令，弹出拾取框，首先选择被减线段9，单击App

13、ly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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框，选择Min Max Inc选项，在文本框中输入“7,14,7”。 （27）线段相减： 执行Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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

14、行Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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

15、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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框，选择Min Max Inc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

16、本框中输入“12,14,2”，生成辅助线2。（36）线段相减： 执行Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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，

17、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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框，选择Min Max Inc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Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS命令,弹出下列对话框，在NPT中输入300，坐标为（kx(3 ),

18、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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框，选择Min Max Inc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

19、路径所需关键点：执行Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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Main MenuPreprocessorModelingCreate Lines LinesIn Active Cooder命令，弹出拾取框，选择Min Max Inc选项，在文本框中输

20、入“1,5000,4999”，单击OK按钮，生成辅助线。（46）线段相减执行Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansDivide Line by Line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Main MenuPreprocessorModelingCreate AreasArbitraryThrough KPs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

21、、网格划分 （1）定义单元尺寸：执行Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSize AreasAll Areas，弹出： （2）剖分网格： 执行Main MenuPreprocessorMeshingMesh AreasFree命令，弹出拾取框，单击Pick All按钮。 （3）外侧圆弧网格加密：执行Main MenuPreprocessorMeshingModify MeshRefine AtLines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Ma

22、in Menu Solution Define loadsApplyStructuralDisplacementPressureOn Lines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Main Menu Solution Define loadsApplyStructuralDisplacementPressureOn Lines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Main Menu Solution Define loadsApplyStructuralDisplacementPress

23、ureOn Lines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Main Menu Solution Define loadsApplyStructuralDisplacementPressureOn Lines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Main Menu Solution SolveCurrent LS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Main MenuGeneral PostprocPlot Resul

24、tContour PlotNodal Solu命令，弹出Contour Nodal Solu Date对话框，单击Stress，单击Von Mises Stress，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630030975m，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29.5m m，充焦段筒体壁厚为33.

25、5m m，下筒体与锥形封头过渡段半径为3150 m m，壁厚为33.5m m，上封头为半球形，内半径为3150 m m，壁厚为29.5 m m，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

26、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Utility MenuChange Title命令，弹出Change Title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Ut

27、ility MenuParamertersScalar Paramerters命令，弹出Scalar Paramerters对话框，输入数据。2、定义单元材料 （1）定义单元类型：执行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Type对话框，单击Add按钮，弹出 单击OK按钮，退回至Element Type对话框，定义2号材料： （2）定义1号材料属性：执行Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，弹出如下对话框：（3）双击Isotropic标识：单击

28、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Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete命令,弹出Real Constants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Main MenuPlotCtrlsNumbering命令，打开对话框：（2）生成塔壁关键

29、点：执行Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypoingtsIn Active CS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

30、Main MenuPreprocessorModelingCreateLines LinesIn Active Cooder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Main MenuPreprocessorModelingCreateLines ArcsBy End KPs& 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Main MenuPreprocessorModelingOperateExtude Lines About Axis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Sweep Lines About Axis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Utility Menu Sele