浙大化工机械-复杂系统分析与建模-课程作业2

复杂系统建模与仿真分析报告1. 分析内容现有一压力容器，如图 1-1 所示。筒体直径 650mm，壁厚 36mm；两侧为球形封头，半径 325mm，壁厚 20mm。封头接管直径 46mm，壁厚 12mm；筒体接管直径 54mm，壁厚12mm，其分别于两侧球形封头与筒体焊缝处 200mm。4 个接管的外伸长度均为 120mm。图 1-1 压力容器结构示意图材料为 16MnR，弹性模量 ，泊松比 ，断裂 ，5201MPaE0.30.248f抗拉强度 ，且满足 Remberg-Osgood 材料方程 。530MPab 00n(1) 运用有限元法预测爆破压力 pb。(2) 若容器从 200C 降至室温 20C 工作，同时，内压满足下列变化关系 sin() (04)32 8bttp试求压力容器的疲劳寿命，并说明热应力的利弊。表 1-1 是疲劳寿命的相关数据。表 1-1 疲劳寿命数据应力幅 4000 288 1897 1414 1069 724 572 441循环数 10 20 50 100 200 500 1000 2000应力幅 331 262 214 159 138 114 93 86循环数 5000 10000 20000 50000 100000 200000 500000 10000002. 模型建立由于模型是对称的，因此，为了减小计算规模，我们采用 1/2 模型进行计算。建立容器的模型如图 2-1 所示。图 2-1 压力容器实体模型图由于 ANSYS 软件在计算非线性消耗的时间明显多于 ABAQUS 软件，而 ANSYS 软件在处理耦合场的分析时更为有效。因此，我们采用 ABAQUS 软件计算压力容器的爆破压力，采用 ANSYS 软件计算压力容器的疲劳寿命。3. 爆破压力计算3.1 模型建立将 UG 中的文件导入到 ABAQUS 中，并对其切分，为网格划分准备，如图 3-1 所示。图 3-1 ABAQUS 中压力容器模型图3.2 网格划分选择 C3D20 单元进行网格划分，网格划分完毕如图 3-2 所示。共计单元 16380 个，节点 84223 个。图 3-2 压力容器网格模型图3.3 求解设置计算时，内压设为 55MPa，进行求解，同时在 X=0 的面上施加对称约束，在 Z=0 的面上施加对称约束。同时在 X=0 的断面上，约束 Y=0 的直线的 Y 向位移为 0。求解时，采用弧长法进行求解。求解的增量设为 0.01，迭代次数为 50，如图 3-3 所示。图 3-3 ABAQUS 求解设置3.4 计算结果提取数据，得到图 3-4。从图中可以看出，最大值为 0.87 处最大。故爆破压力为47.85MPa。图 3-4 LPF 曲线4.疲劳计算由于是热结构耦合问题，我们采用序贯分析的方法。先进行热分析，再进行结构分析。温度场的求解分成 40 个载荷步进行分析，而压力是随时间变化的，因此，我们用动应力方法进行分析，分成 40 个载荷步进行求解。4.1 模型建立在 UG 中建立模型，导入 ANSYS 中，并切分模型以便网格划分，有限元模型如图 4-1 所示。图 4-1 压力容器有限元模型4.2 网格划分由于先要进行热分析，故采用 8 节点 solid70 单元进行 sweep 划分，并对接管局部进行网格加密，网格划分完毕如图 4-2 所示。共计单元 33416 个，节点 41215 个。图 4-2 压力容器网格整体模型图4.3 边界条件首先进行热分析，热分析的主要边界条件是温度，其变化范围是 200C20C，分为40 个载荷步施加温度载荷，并定义材料的导热系数。然后进行单元转换，此时热单元 solid70 变为 solid45 单元。同时在材料属性里面定义热膨胀系数为 1.210-6，材料密度为 7850kg/m3，材料的弹性模量为 2.051011，泊松比 0.3。读入热分析数据文件数据，应力计算用动应力计算，分为40 个载荷步。4.4 结果分析首先确定危险节点，我们分析最大应力载荷步时的应力云图，从而确定危险点。读取第 5 个时间步数据，对应应力云图如图 4-3 所示。图 4-3 第 5 个载荷步的应力云图从图 4-3 中可以看出，其对应的最大应力为 421MPa，对应节点号为 17836。从时间历程处理器中，提取节点 17836 的六个应力分量数据，如表 4-1 所示。表 4-1 节点 17836 应力数据time/s x/MPa y/MPa z/MPa xy/MPa yz/MPa xz/MPa0.2 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E70.4 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E70.6 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E70.8 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E71.0 2E7 4.06E7 4.3E8 1.03E7 6.58E6 -3.79E71.2 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E71.4 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E71.6 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E71.8 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E72.0 1.07 2.17 23 0.553 0.352 -2.032.2 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E72.4 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E72.6 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E72.8 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E73.0 -2E7 -4.06E7 -4.3E8 -1.03E7 -6.58E6 3.79E73.2 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E73.4 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E73.6 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E73.8 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E74.0 -2.14 -4.35 -46.1 -1.1 -0.707 4.064.2 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E74.4 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E74.6 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E74.8 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E75.0 -2E7 -4.06E7 -4.3E8 -1.03E7 -6.58E6 3.79E75.2 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E75.4 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E75.6 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E75.8 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E76.0 -1.07 -2.17 -23 -0.552 -0.354 2.036.2 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E76.4 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E76.6 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E76.8 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E77.0 2E7 4.06E7 4.3E8 1.03E7 6.58E6 -3.79E77.2 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E77.4 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E77.6 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E77.8 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E78.0 2.14 4.35 46.1 1.11 0.703 -4.06根据 JB4732-95 附录 C 以疲劳分析为基础的设计，进行疲劳强度分析。由于危险点存在于封头与接管相连的区域，分析时采用 C2.1.2 部分进行分析。计算得到主应力差的数据如表 4-2 所示。表 4-2 节点 17836 应力差计算数据time/s S12/MPa S23/MPa S31/MPa 时间/s S12/MPa S23/MPa S31/MPa0.2 5.06E8 3.83E7 -5.44E8 4.2 3.9E8 3.07E7 -4.2E80.4 6.12E8 4.6E7 -6.58E8 4.4 2.76E8 2.58E7 -3.02E80.6 6.97E8 5.24E7 -7.49E8 4.6 1.79E8 2.84E7 -2.08E80.8 7.51E8 5.66E7 -8.08E8 4.8 1.14E8 4.37E7 -1.58E81.0 7.7E8 5.81E7 -8.28E8 5.0 8.36E7 6.56E7 -1.49E81.2 7.51E8 5.66E7 -8.08E8 5.2 7.58E7 7.58E7 -1.52E81.4 6.97E8 5.24E7 -7.49E8 5.4 8.36E7 6.56E7 -1.49E81.6 6.12E8 4.6E7 -6.58E8 5.6 1.14E8 4.37E7 -1.58E81.8 5.06E8 3.83E7 -5.44E8 5.8 1.79E8 2.84E7 -2.08E82.0 3.9E8 3.07E7 -4.2E8 6.0 2.76E8 2.58E7 -3.02E82.2 2.76E8 2.58E7 -3.02E8 6.2 3.9E8 3.07E7 -4.2E82.4 1.79E8 2.84E7 -2.08E8 6.4 5.06E8 3.83E7 -5.44E82.6 1.14E8 4.37E7 -1.58E8 6.6 6.12E8 4.6E7 -6.58E82.8 8.36E7 6.56E7 -1.49E8 6.8 6.97E8 5.24E7 -7.49E83.0 7.58E7 7.58E7 -1.52E8 7.0 7.51E8 5.66E7 -8.08E83.2 8.36E7 6.56E7 -1.49E8 7.2 7.7E8 5.81E7 -8.28E83.4 1.14E8 4.37E7 -1.58E8 7.4 7.51E8 5.66E7 -8.08E83.6 1.79E8 2.84E7 -2.08E8 7.6 6.97E8 5.24E7 -7.49E83.8 2.76E8 2.58E7 -3.02E8 7.8 6.12E8 4.6E7 -6.58E84.0 5.06E8 3.83E7 -5.44E8 8.0 3.9E8 3.07E7 -4.2E8然后确定应力差的变化范围分别为 694MPa，50MPa，679MPa，且交变应力幅为 0.5倍的应力差，故最终的交变应力幅为三者中的最大值，因此应力幅为 347MPa。根据给定的 S-N 材料疲劳曲线，得到循环次数为 4509。4.5 热应力的影响下面分析热应力的影响，我们直接忽略热应力的存在，直接进行结构场的求解，同样采用动应力计算。同样，取第 5 个载荷步的应力云图，如图 4-4 所示。图 4-4 无温度场时应力云图由图可知，并对照图 4-3，发现此时最大应力均为 421MPa，节点为 17836。若分析最后一个载荷步，有温度场与没有温度场存在一定差距。综上，温度场的影响较小。线提取节点 17836 的应力时间历程数据，如表 4-3 所示。表 4-3 节点 17836 应力数据time/s x/MPa y/MPa z/MPa xy/MPa yz/MPa xz/MPa0.2 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E70.4 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E70.6 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E70.8 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E71.0 2E7 4.06E7 4.3E8 1.03E7 6.58E6 -3.79E71.2 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E71.4 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E71.6 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E71.8 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E72.0 36 223 1170 83.7 -46.2 -23.72.2 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E72.4 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E72.6 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E72.8 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E73.0 -2E7 -4.06E7 -4.3E8 -1.03E7 -6.58E6 3.79E73.2 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E73.4 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E73.6 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E73.8 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E74.0 61.3 404 2060 153 -87.8 -34.64.2 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E74.4 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E74.6 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E74.8 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E75.0 -2E7 -4.06E7 -4.3E8 -1.03E7 -6.58E6 3.79E75.2 -1.9E7 -3.86E7 -4.09E8 -9.8E6 -6.26E6 3.6E75.4 -1.62E7 -3.28E7 -3.48E8 -8.34E6 -5.32E6 3.07E75.6 -1.18E7 -2.38E7 -2.53E8 -6.06E6 -3.87E6 2.23E75.8 -6.18E6 -1.25E7 -1.33E8 -3.19E6 -2.03E6 1.17E76.0 32.5 486 2200 206 -146 5.256.2 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E76.4 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E76.6 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E76.8 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E77.0 2E7 4.06E7 4.3E8 1.03E7 6.58E6 -3.79E77.2 1.9E7 3.86E7 4.09E8 9.8E6 6.26E6 -3.6E77.4 1.62E7 3.28E7 3.48E8 8.34E6 5.32E6 -3.07E77.6 1.18E7 2.38E7 2.53E8 6.06E6 3.87E6 -2.23E77.8 6.18E6 1.25E7 1.33E8 3.19E6 2.03E6 -1.17E78.0 10.4 551 2340 248 -192 34.1根据 JB4732-95 附录 C 以疲劳分析为基础的设计，进行疲劳强度分析。由于危险点存在于封头与接管相连的区域，分析时采用 C2.1.2 部分进行分析。计算得到主应力差的数据如表 4-4 所示。表 4-4 节点 17836 应力差计算数据time/s S12/MPa S23/Mpa S31/Mpa 时间/s S12/Mpa S23/Mpa S31/Mpa0.2 5.06E8 3.83E7 5.06E8 4.2 2.76E8 2.58E7 -3.02E80.4 6.12E8 4.6E7 6.12E8 4.4 1.79E8 2.84E7 -2.08E80.6 6.97E8 5.24E7 6.97E8 4.6 1.14E8 4.37E7 -1.58E80.8 7.51E8 5.66E7 7.51E8 4.8 8.36E7 6.56E7 -1.49E81.0 7.7E8 5.81E7 7.7E8 5.0 7.58E7 7.58E7 -1.52E81.2 7.51E8 5.66E7 7.51E8 5.2 8.36E7 6.56E7 -1.49E81.4 6.97E8 5.24E7 6.97E8 5.4 1.14E8 4.37E7 -1.58E81.6 6.12E8 4.6E7 6.12E8 5.6 1.79E8 2.84E7 -2.08E81.8 5.06E8 3.83E7 5.06E8 5.8 2.76E8 2.58E7 -3.02E82.0 3.9E8 3.07E7 3.9E8 6.0 3.9E8 3.07E7 -4.2E82.2 2.76E8 2.58E7 2.76E8 6.2 5.06E8 3.83E7 -5.44E82.4 1.79E8 2.84E7 1.79E8 6.4 6.12E8 4.6E7 -6.58E82.6 1.14E8 4.37E7 1.14E8 6.6 6.97E8 5.24E7 -7.49E82.8 8.36E7 6.56E7 8.36E7 6.8 7.51E8 5.66E7 -8.08E83.0 7.58E7 7.58E7 7.58E7 7.0 7.7E8 5.81E7 -8.28E83.2 8.36E7 6.56E7 8.36E7 7.2 7.51E8 5.66E7 -8.08E83.4 1.14E8 4.37E7 1.14E8 7.4 6.97E8 5.24E7 -7.49E83.6 1.79E8 2.84E7 1.79E8 7.6 6.12E8 4.6E7 -6.58E83.8 2.76E8 2.58E7 2.76E8 7.8 5.06E8 3.83E7 -5.44E84.0 3.9E8 3.07E7 -4.2E8 8.0 3.9E8 3.07E7 -4.2E8然后确定应力差的变化范围分别为 694Mpa，50Mpa ，679Mpa，且交变应力幅为 0.5 倍的应力差，故最终的交变应力幅为三者中的最大值，因此应力幅为 347Mpa。根据给定的S-N 材料疲劳曲线，得到循环次数为 4509。因此温度场的影响很小，可以忽而略不计。附录1. 温度场求解程序/sol*DO,K,1,41lsclear,allFLST,2,106,5,ORDE,22FITEM,2,2 FITEM,2,4 FITEM,2,6 FITEM,2,-7 FITEM,2,14 FITEM,2,18 FITEM,2,20 FITEM,2,-21 FITEM,2,23 FITEM,2,-26 FITEM,2,28 FITEM,2,31 FITEM,2,-33 FITEM,2,35 FITEM,2,-41 FITEM,2,44 FITEM,2,46 FITEM,2,-52 FITEM,2,55 FITEM,2,-66 FITEM,2,72 FITEM,2,-134!* /GO DA,P51X,TEMP,200-(K-1)*4.5solve*enddo2. 动应力求解程序/sollsclear,allt0=0.2time,0 autots,0 FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,84 FITEM,2,114 !* /GO DA,P51X,UX, FLST,2,28,5,ORDE,25 FITEM,2,4 FITEM,2,7 FITEM,2,23 FITEM,2,25 FITEM,2,-26 FITEM,2,28 FITEM,2,32 FITEM,2,-33 FITEM,2,35 FITEM