1、CADCAE课程设计 长江大学过程装备与控制ansysCAD/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20122013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=48 mm,筒体削边长度L=95 mm,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=1200 mm。 有限
2、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Utility MenuChange Title命令,弹出Change Title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:
3、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: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 MenuPreprocessorMateria
4、l 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)生成球壳部分子午面:执行Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasCirclePartial Annulus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Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangle By 2 Corners命令。 (3)旋转、偏移工作面: 执行Utility MenuWorkplaneOffset WP by Increments命
5、令,弹出Offset WP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Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框,在下拉框中选择Area、By Location 、Y coordinates,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Main MenuPreprocessorModeling OperateBooleansDivideArea by Workplane命令,弹出对话框,单击“Pick
6、 All”按钮。 (6)删除球壳应删除的部分: 执行Main MenuPreprocessorModelingDeleteArea and Below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Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框,在下拉框中选择Keypoints、By Location 、Y coordinates,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,
7、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Utility MenuSelectEverything命令。 (9)生成过渡段子午面: 执行Main MenuPreprocessorModeling CreateAreas ArbitraryThrough KPs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Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsLinesPicked Lines命令,弹出拾取框,选中编号为
8、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,SPAC
9、E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Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框, (6)全选择: 执行Utility MenuSelectEverything命令。(7)划分网格:执行Main MenuPreprocessorMeshingMesh AreasMapped3 or 4 side 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Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框,设定选择模式Nodes、By Location 、Y coordinates、From F
10、ull,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Main MenuPreprocessor Loads Define loadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes命令,单击“Pick All”按钮。弹出对话框:(3)选择X坐标的0节点: 执行Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框,设定选择模式Nodes、By Location 、X coordinates、From Full,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Utility MenuSolutionDefine lo
11、adsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C.On Nodes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Utility Menu SelectEntities命令,弹出对话框,设定选择模式Lines、By Num/Pick、From Full,单击OK。弹出Select Lines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Utility Menu SelectEntities命令, 弹出Select Entities对话框,设定模式Nodes、Attached to 、Lin
12、es all、From Full,单击OK。(8)在节点上施加均布压力:执行Utility MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralPressure On Nodes命令,弹出Apply Pressure On Nodes对话框,单击“Pick All”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Utility MenuSelectEverything命令。 (2)求解: 执行Main Menu Solution SolveCurrent LS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:
13、执行Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour 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: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=283.333 MPa 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
14、体厚度 当筒体厚度为50mm,封头厚度为36mm时,最大应力为272.361MPa2、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2Cr1Mo
15、,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=274000kg。 h形锻件尺寸为:筒体内半径R1=1446.5mm,壁厚为t1=91 mm,封头内半径R1=145605mm,壁厚为t2=56 mm,裙座壁厚t3=24mm,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)
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