压力容器有限元分析.doc

有限元的分析简介 随着科技的进一步发展，传统的分析方法已不能满足现在社会的需求，以及更不能满足一些问题的精确分析，而有限元的出现和应用给机电、土木、航天等工业领域带来了历史性的突破。是有限元的应用软件，主要用于几何和网格划分、多物理场、结构力学、流体动力学、非线性结构、仿真过程及数据管理、显示动力学等多领域的应用 有限元法是求解工程科学中数学物理问题的一种通用数值方法。本书介绍有限元法的基本原理、建模方法及工程应用，强调理论与实践的结合。全书包括两篇共16章，第1篇由第110章组成，介绍有限元法的基本理论和方法，内容包括：有限元法基本理论、平面问题、轴对称问题和空间问题、杆梁结构系统、薄板弯曲问题以及热传导问题、结构动力学问题、非线性问题的有限元法。有限元主要介绍有限元建模技术及基于ANSYS的有限元分析工程应用，内容包括：有限元建模的基本流程、模型简化技术、网格划分技术、边界条件处理与模型检查以及基于ANSYS的有限元分析工程应用实例。创新实践课题：压力容器的有限元应力分析与设计1、 问题描述1、如图1所示为一台700立式储罐，其手孔的直径为88，材料为16MnR,设计压力为13.5Mpa，工作压力为12.3Mpa，弹性模量为201GPa，泊松比为0.3，要求利用有限元分析对此压力容器进行应力分析设计。 2、立式储罐用途：主要用于储存气体，如燃气等，因为储罐密封性能好且能承受较高的压力，所以将气体压缩成液体后，方便于储存在储罐内。2、 设计基本参数如下表：弹性模量201Gpa工作压力12.3Mpa设计压力13.5Mpa储罐直径700手孔直径88泊松比0.3材料16MnR螺栓力82109N封头直径146壁厚34圆弧面直径18封头厚15 立式储罐结构示意简图如下图所示： 图1 在压力容器的应力分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”代替校核截面。该容器轴对称，所以只需考虑对储罐上半部分进行分析设计。法兰上的螺栓力可以转化为一个集中力F,且F=82109N。三、结构壁厚计算1.筒体厚度计算厚度： 设计厚度： 名义厚度：34mm有效厚度：2.椭圆形封头厚度标准椭圆封头计算厚度： 设计厚度： 名义厚度：18mm有效厚度：3. 手孔厚度有限元建模分析 本次分析采用ansys10.0建立有限元分析和应力设计一、GUI操作方式定义工作文件名和工作标题（1） 定义工作文件名：执行change jobname，文件名命名为wuzu（2） 定义工作标题： 执行change title 命令，对文件的压力进行分析（3） 关闭三角坐标符号定义单元类型和材料属性（1） 选择单元类型：在elementtypes命令中选择strucral solid和quad 8node82（2） 设置单元选项：在element type option命令框中选择k3为axisymmertic（3） 设置材料属性：在material number 命令框中设置 ex为2.01e11，prxy为0.3二、建立几何模型(1) 生成矩形面，在by dimensios中设置三个矩形面数据如下：350 ，384 ，0,28044,146,795.3,846.3,44，62,600,742.8（2） 生成部分圆环面：执行partial annulus 命令框中设置 wpx,wpy,theta1,rad,theta2,分别为0,280,355,8.75,373,63，0,280,355,67,.6,383,90（3） 面叠分操作：执行booleans 下的areas命令A3和A5的面进行叠加（4） 删除面操作：执行delete下的below命令，选择A6和A8的面（5） 线倒角操作：执行lines下的lines fillet命令，选择要倒角的两条线在rad文本框中输入20，这则另一倒角的两条线，在RAD文本中输入10（6） 线生成面操作：点击by lines命令 选择如下 两组三条线 生成两个面（7） 面相减操作，在boolsean 下的areas 选择A10和A3两个面生成如下图（8） 面向加操作：在boolsean 下的add aaread选择如下四个面生成如下图生成关键点：选择A2面中的L5在line ratio 选项框中输入 0.348生成关（9） 生成关键点：在ratio下输入line ratio=0.348,生成关键点21.（10） 生成线，拾取“15，20”“22，19”“14，17”“11，21”“3，13”“4，16”“5，12”“21，5”“24，18”关键点生成九条线。再生成面。（11）面分解操作：在Area by Line下，拾取A2，A3,A10面，拾取L33,L27,L26线，生成的图形如图所示。 （12）进行编号压缩操作 （13）合并关键点：执行Merge Items命令，弹出图所示。选择Keypoints。 （14） 保存几何模型 三、划分有限元网格 （1）连接线过渡圆弧线：执行Lines命令，拾取L22、L8和L28的线，单击OK按钮。 （2）设置单元尺寸：执行MeshTool命令，弹出划单击Set按钮，拾取L1、L3、L15、L13、L19、L25、L26、L10、L27和L31的线，弹出Element Sixes on Picked Lines对话框。输入NDIV=4。 （3）设置全局单元尺寸：MeshTool命令，在SIZE文本框中输入20。 （4）划分网格：生成的有限元网格如图所示：四、施加载荷并求解 （1）在线上施加面载荷：执行Pressurel On Lines命令，拾取L4、L17、L14、L20、L30、L22、L8、L28、L24、L9和L7的线。弹出对话框，在Load PRES value文本框中输入13.5。 （2）施加集中载荷：执行On Nodes命令，拾取编号为708的关键点。弹出如图所示对话框。在Direction of force/mom中选择FY，然后在Force/moment value文本框中输入82109。 （3）显示单元：执行Plot Element命令，生成结果如图所示。 （4）求解运算：执行Solve-Current LS命令，浏览后执行File/Close命令，在Solution is done对话框时单击Close按钮完成求解运算。 （5) 保存分析结果 五、浏览运算结果 （1）显示变形形状： 容器施加载荷就会产生力，而容器壁受到力的作用将产生形变，变形量随力的大小改变，所以图中所出现的变形不同是因为其受到的力的大小不同，所以容器的制作要根据实际用途设计，其各个部位所使用的材料的量要合适。 变形公式为： F=ps 所出结果符合设计要求。 （2）显示节点位移云图：生成结果如图所示：容器受到力的作用容器壁产生变形就会出现节点的位移变化，变形量不同，节点位移也不同，符合设计要求。 （3）显示节点的Von Mises应力：生成结果如图所示对设计载荷作用下进行有限元分析，并对分析结果进行应力强度评定。评定的依据为JB4732-1995钢制压力容器分析设计标准。应力线性化路径的选择原则为：(1) 通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；(2) 对于相对高应力强度区，沿壁厚方向设定路径。设计工况下的评定线性化路径如下图所示，线性化结果如下图所示，都符合设计要求。（4） 在路径上映射数据的图形显示：生成如图所示： （5）图形显示当前路径上应力线性化结果：以图形显示当前路劲上的所有应力分量、主应力及相关的应力强度。（6）疲劳分析校核最高压力工况与最低压力工况下设备的最大应力强度均出现在接管与封头相贯区的内壁，通过计算，疲劳校核通过。 分析结论附录一 PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH2 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 395 OUTSIDE NODE = 350 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 * AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.28417E+14 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ -2.339 124.6 141.1 -0.3136 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV 141.1 124.6 -2.340 143.4 135.9 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -8.726 2.415 3.624 0.000 0.000 0.000 C -2.528 0.1974E-01 0.3828E-12 0.000 0.000 0.000 O 3.669 -2.376 -3.624 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 3.624 2.415 -8.726 12.35 11.79 C 0.1974E-01 0.000 -2.528 2.548 2.538 O 3.669 -2.376 -3.624 7.293 6.756 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.07 127.0 144.7 -0.3136 0.000 0.000 C -4.867 124.6 141.1 -0.3136 0.000 0.000 O 1.330 122.3 137.5 -0.3136 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 144.7 127.0 -11.07 155.8 147.7 C 141.1 124.6 -4.868 146.0 138.5 O 137.5 122.3 1.330 136.1 129.2 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.1776E-14 11.00 2.677 12.04 0.000 0.000 C 4.155 -4.801 -1.044 -1.139 0.000 0.000 O 0.000 9.333 2.218 -7.323 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 18.74 2.677 -7.742 26.48 23.11 C 4.297 -1.044 -4.944 9.241 8.035 O 13.35 2.218 -4.017 17.37 15.24 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.07 138.0 147.4 11.73 0.000 0.000 C -0.7129 119.8 140.0 -1.452 0.000 0.000 O 1.330 131.6 139.7 -7.637 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 147.4 139.0 -11.98 159.4 155.3 0.000 C 140.0 119.9 -0.7304 140.8 131.8 O 139.7 132.0 0.8841 138.8 135.1 0.000 附录二PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH2 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 395 OUTSIDE NODE = 350 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 * AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.28417E+14 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ -2.339 124.6 141.1 -0.3136 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV 141.1 124.6 -2.340 143.4 135.9 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -8.726 2.415 3.624 0.000 0.000 0.000 C -2.528 0.1974E-01 0.3828E-12 0.000 0.000 0.000 O 3.669 -2.376 -3.624 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 3.624 2.415 -8.726 12.35 11.79 C 0.1974E-01 0.000 -2.528 2.548 2.538 O 3.669 -2.376 -3.624 7.293 6.756 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.07 127.0 144.7 -0.3136 0.000 0.000 C -4.867 124.6 141.1 -0.3136 0.000 0.000 O 1.330 122.3 137.5 -0.3136 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 144.7 127.0 -11.07 155.8 147.7 C 141.1 124.6 -4.868 146.0 138.5 O 137.5 122.3 1.330 136.1 129.2 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.1776E-14 11.00 2.677 12.04 0.000 0.000 C 4.155 -4.801 -1.044 -1.139 0.000 0.000 O 0.000 9.333 2.218 -7.323 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 18.74 2.677 -7.742 26.48 23.11 C 4.297 -1.044 -4.944 9.241 8.035 O 13.35 2.218 -4.017 17.37 15.24 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.07 138.0 147.4 11.73 0.000 0.000 C -0.7129 119.8 140.0 -1.452 0.000 0.000 O 1.330 131.6 139.7 -7.637 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 147.4 139.0 -11.98 159.4 155.3 0.000 C 140.0 119.9 -0.7304 140.8 131.8 O 139.7 132.0 0.8841 138.8 135.1 0.000 附录三PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH3 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 294 OUTSIDE NODE = 285 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 * AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.81139E+13 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 41.42 -1.261 99.06 17.35 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV 99.06 47.58 -7.422 106.5 92.24 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -53.12 5.621 -50.89 0.000 0.000 0.000 C -2.626 0.5370 -0.8475E-10 0.000 0.000 0.000 O 47.86 -4.547 50.89 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 5.621 -50.89 -53.12 58.74 57.65 C 0.5370 0.000 -2.626 3.163 2.932 O 50.89 47.86 -4.547 55.43 53.99 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.70 4.360 48.18 17.35 0.000 0.000 C 38.79 -0.7235 99.06 17.35 0.000 0.000 O 89.28 -5.807 149.9 17.35 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 48.18 15.45 -22.79 70.96 61.52 C 99.06 45.33 -7.258 106.3 92.08 O 149.9 92.35 -8.873 158.8 139.3 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.1243E-13 -5.756 -5.447 -19.17 0.000 0.000 C 3.303 0.8649 0.5929 0.1861 0.000 0.000 O 0.1421E-13 -1.564 -1.084 7.212 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 16.50 -5.447 -22.26 38.76 33.67 C 3.317 0.8508 0.5929 2.724 2.605 O 6.472 -1.084 -8.036 14.51 12.57 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -11.70 -1.396 42.73 -1.818 0.000 0.000 C 42.09 0.1414 99.66 17.53 0.000 0.000 O 89.28 -7.371 148.9 24.56 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 42.73 -1.084 -12.01 54.74 50.18 0.000 C 99.66 48.46 -6.221 105.9 91.71 O 148.9 95.16 -13.25 162.1 143.0 0.000 附录四PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED BY PATH= PATH6 DSYS= 0 * POST1 LINEARIZED STRESS LISTING * INSIDE NODE = 360 OUTSIDE NODE = 490 LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 * AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.26461E+14 THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES. * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 80.81 37.30 134.0 -59.98 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV 134.0 122.9 -4.748 138.7 133.5 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -4.399 4.882 -3.257 0.000 0.000 0.000 C 0.1228 -0.4937E-01 -0.4825E-12 0.000 0.000 0.000 O 4.645 -4.980 3.257 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQV I 4.882 -3.257 -4.399 9.281 8.766 C 0.1228 0.000 -0.4937E-01 0.1722 0.1536 O 4.645 3.257 -4.980 9.625 9.012 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=C