课程设计--高压容器筒体与封头连接处应力分析.doc

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wb （2）设置标题：执行Utility MenuChange Title命令，弹出Change Title命令，输入wb ，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：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）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 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,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，SPACE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 Full,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 loadsApplyStructuralDisplacementSymmetry 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 、Lines 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：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，筒体厚度 当筒体厚度为50mm,封头厚度为36mm时，最大应力为