（化工过程机械专业论文）基于ansys二次开发的纺织烘筒设计与试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文以不锈钢纺织烘筒为研究对象，以异型封头为重点，在查阅国内外众多文献的 基础上，对该种结构进行了有限元分析、结构优化。对比各种参数化和优化技术方法， 建立了基于a n s y s 平台、采用u i d l 和a p d l 语言的三维参数化建模方法，实现了结 构参数化、分网参数化、载荷参数化及材料属性参数化。烘筒的应力试验研究结果验证 了二次开发程序的可行性和正确性。利用二次开发程序对一系列封头结构进行应力分析 与比较，为纺织烘筒异形封头的选型提供参考依据。 本文的主要工作如下： 1 ) 参考国内外文献，在对纺织烘筒封头结构的强度分析的基础上实现了结构的优化 设计。 2 ) 研究了在通用c a e 软件环境下快速实现实体和有限元结构的参数化建模的方法 和技术途径，利用u i d l 的强大二次开发功能，建立了界面友好和功能强大的菜单系统。 3 ) 采用a p d l 进行二次开发编程，编制了建模网格参数化、载荷及材料属性参数 化等，并实现了计算结果查看、绘制关键路径线性化应力分布曲线等功能，加速了制定 产品的研制和开发。 4 ) 利用此程序对纺织烘筒封头进行参数化输入的分析设计，得到了s 型封头最大 应力发生在的圆弧处，验证了程序的可行性。 5 ) 通过对纺织烘筒封头的应力试验研究、数据处理，得出了s 型封头沿半径方向， 应力逐渐增加，在封头锥形段，应力到达第一个高峰值，随着半径继续增大，应力先减 小，然后在圆弧处达到最大值。试验结果同有限元计算结果进行了充分对比，显示了程 序的正确性。 6 ) 利用二次开发平台对烘筒封头的不同结构进行应力分析，在相同的载荷状况下比 较不同封头结构应力大小，为纺织烘筒封头的生产实践选择提供依据。 本文是在运用压力容器分析设计应力分类方法的基础上，利用了大型c a e 软件的参 数化建模、优化设计和二次开发功能，提出了一套纺织烘筒封头结构的分析方法。开发 的纺织烘筒封头的参数化分析设计系统具有广泛的工程应用价值和广阔的市场前景，该 方法及其实现技术途径对于其他承压设备的有限元分析设计和优化设计同样具有指导意 义。 摘要 关键词：烘筒有限元应力分析异型封头二次开发 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no fa na l i e nh e a do fs t a i n l e s ss t e e l t e x t i l ed r y i n gt u m b l e rw e r ec a r r i e do u ti nt h i st h e s i s w i t hm a n yp a r a m e t e r i z a t i o n sa n d o p t i m u md e s i g nm e t h o d si n v e s t i g a t e d ，t h e3 dp a r a m e t r i cm o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m e t h o d s ，b a s e do na n s y s ，w e r eb u i l tb yu s i n gu i d la n da p d ll a n g u a g e s t h ep a r a m e t r i c s t r u c t u r ed e s i g no ft h eh e a do fs t a i n l e s ss t e e lt e x t i l ed r y i n gt u m b l e r ，t h ep a r a m e t r i cm e s h i n g ， t h ea p p l i c a t i o no fp a r a m e t r i cl o a d sa n dt h ed e f i n i t i o no fp a r a m e t r i cm a t e r i a lp a r a m e t e r sw e r e r e a l i z e d t h er e s u l to ft h es t r e s st e s t i n gd e m o n s t r a t e dt h a tt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a m w a s t i g h t n e s sa n df e a s i b i l i t y u s i n gt h ep r o g r a mt oa n a l y z ea n dc o m p a r et h es t r e s so fas e r i e s o fh e a ds t r u c t u r e s ，p r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h es e l e c t i o no ft e x t i l ed r y i n gh e a d f o l l o w i n gr e s e a r c h e sh a v eb e e nc a r d e do u ti nt h i st h e s i s ： ( 1 ) t h eo p t i m u md e s i g nm e t h o df o rt h et e x t i l ed r y i n gh e a db a s e do ns t r e n g t ha n a l y s i s w a s p u tf o r w a r db yr e f e r e n c e s ( 2 ) t h em e t h o df o rb u i l d i n gs o l i dg e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e lu n d e rt h e e n v i r o n m e n to fc a es o f t w a r ew a si n v e s t i g a t e d b y u s i n g t h e p o w e r f u ls e c o n d a r y d e v e l o p m e n tf u n c t i o no fu i d ll a n g u a g e ，t h eu s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d m e n uw e r ec r e a t e d ( 3 ) t h ep a r a m e t r i cs t r u c t u r ed e s i g no ft h eh e a do ft h es t a i n l e s ss t e e lt e x t i l ed r y i n g t u m b l e r ，t h ep a r a m e t r i cm e s h i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fp a r a m e t r i cl o a d sa n dt h ed e f m i t i o no f p a r a m e t r i cm a t e r i a lp a r a m e t e r sw e r er e a l i z e db yu s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a m d e v e l o p e db ya p d ll a n g u a g ei na n s y s f u r t h e r m o r e ，t h ea n a l y s i sr e s u l t sc a nb eb r o w s e d a n dt h el i n e a r i z a t i o ns t r e s sc u r v eo ft h em a i np a t hc a nb ed r a w nb yt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t p r o g r a m ( 4 ) t h ep a r a m e t r i ca n a l y t i c a ld e s i g no ft h et e x t i l ed r y i n gt u m b l e rh e a dw a sc a r r i e do u tb y u s i n gt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a m ，t h em a x i m u ms t r e s so fs - h e a dd i s t r i b u t e di nt h e a r c ，a n dv e r i f i e dt h ep r o g r a mw a s f e a s i b l e ( 5 ) t h r o u g ht h es t r e s st e s ta n dd a t ap r o c e s s i n go ft h et e x t i l ed r y i n gt u m b l e rh e a d ，t h e s t r e s so ft h es - h e a di n c r e a s e dg r a d u a l l ya l o n gt h er a d i u s ，w h i c hr e a c h e dt h ef i r s tp e a kv a l u ei n t h ec o n i c a ls e c t i o n a st h er a d i u sc o n t i n u e dt oi n c r e a s e ，t h es t r e s sd e c r e a s e df i r s t l y ，a n di nt h e a r cr e a c h e di t sm a x i m u m t h es t r e s sr e s u l t so b t a i n e df r o mt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw e r e i i i a b s t r a c t c o m p a r e d 淅mt h et e s tr e s u l t s ，s ot h ev a l i d i t yo ft h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o g r a mw a s v e r i f i e d ( 6 ) u s i n gt h es e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o ra n a l y z i n gd i f f e r e n t 蛐r u c t u r eo ft h eh e a d ， c o m p a r i n gd i f f e r e n ts 仃u c t i l r a is t r e s si nt h es a m el o a dc o n d i t i o n t h a tp r o v i d e dt h eb a s i s f o r p r a c t i c ep r o d u c t i o no f t h e h e a do f t e x t i l ed r y i n gt u m b l e r a c c o r d i n gt ot h es t r e s sc l a s s i f i c a t i o nm e t h o do fa n a l y t i c a ld e s i g nf o rv e s s e l s ，t h e s t r u c t u r es t r e n g t ha n a l y s i sm e t h o df o rt e x t i l ed r y i n gt u m b l e rh e a dw a sb u i l tb yu s i n gt h e p a r a m e t r i cm o d e l i n g ，o p t i m u md e s i g na n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n tf u n c t i o n o fc a e s o f t w a r e t h ed e v e l o p m e n to fp a r a m e t r i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e mo f t e x t i l ed r y i n gc y l i n d e r h e a dh a daw i d er a n g ea p p l i c a b l ev a l u ei ne n g i n e e r i n ga n dc a p a c i o u sm a r k e tf u t u r e t h i s m e t h o da n di t st e c h n i c a lp r o g r a mc a na l s ob eu s e di nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dd e s i g no f o t h e rp r e s s u r ev e s s e l s k e y w o r d s ：d r y i n gt u m b l e r ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s t r e s sa n a l y s i s ；a b n o r m a lh e a d ； s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i v 硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t 一i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 纺织烘筒结构的研究现状及发展情况2 1 2 1 烘筒烘燥机的结构简介2 1 2 2 烘筒烘燥机研究现状3 1 2 3 封头研究历史、现状与发展情况3 1 3c a e 及二次开发的发展现状和动态4 1 3 1 c a e 的发展4 1 3 2a n s y s 简介6 1 3 3 a n s y s 的二次开发在国内外的研究现状和发展6 1 3 4a n s y s 的优化设计9 1 4 课题的研究内容与意义11 1 4 1研究内容11 1 4 2 程序实施方案1 1 1 4 3 研究意义1 2 第二章纺织烘筒封头设计方法l4 2 1 压力容器规则设计1 4 2 1 1 平形封头厚度计算15 2 1 2 碟形封头厚度计算16 2 2 分析设计l7 2 2 1 解析法l8 2 2 2 数值方法1 9 2 2 3 数值方法与解析方法的比较1 9 v 目录 2 2 4 试验应力分析1 9 2 3 烘筒s 型封头结构分析2 0 2 3 1s 型封头初步理论计算2 0 第三章纺织烘筒封头的有限元分析2 3 3 1a n s y s 软件的主要功能模块2 3 3 2a n s y s 操作方式2 5 3 3 纺织烘筒s 型封头的有限元计算2 5 3 3 1 建立几何模型及网格划分_ 2 5 3 3 2 边界条件2 6 3 3 3 有限元结果及分析2 6 3 3 4 结果优化设计2 7 第四章纺织烘简封头的a n s y s 二次开发2 9 4 1a n s y s 的二次开发功能2 9 4 1 1a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 2 9 4 1 2a n s y s 界面设计语言( u i d l ) 3 0 4 1 3 用户可编程特性( u p f s ) 3 1 4 1 4 a n s y s 平台设计环境一3 1 4 2a n s y s 界面设计的二次开发3 2 4 2 1 基于v b 的用户界面设计及a n s y s 调用3 3 4 2 2 a n s y s 自定义平台实现一3 3 4 3 参数化分析实现4 0 4 3 1 参数的提取4 0 4 3 2 参数化脚本4 0 4 4a n s y s 二次开发实例4 l 4 4 1 参数化建模4 1 4 4 2 应力分析计算和结果查看4 3 4 4 3 结果的后处理阶段4 4 4 5 小结4 5 v i 硕士学位论文 第五章纺织烘筒封头的试验测试4 6 5 1 试验概述4 6 5 1 1 电测技术4 6 5 1 2 应变电测法基本原理4 6 5 1 3 电阻应变测量法4 7 5 1 4 本实验的目的及要求4 8 5 2 试验装置与测试过程4 8 5 2 1 试验装置4 8 5 2 2 布片方案4 9 5 2 3 测试过程4 9 5 3 试验数据处理5 0 5 4 试验结果与有限元结果比较分析51 5 5 小结5 4 第六章基于二次开发软件的纺织烘筒封头结构选型一5 5 6 1 平形、碟形、s 型封头的应力分析5 5 6 1 1 建模与网格划分5 5 6 1 2 封头载荷的施加5 6 6 1 3 封头应力分析结果5 7 6 2 平形封头与s 型封头应力比较6 4 6 3 碟形封头与s 型封头应力比较6 5 6 4 小结6 5 第七章结论6 6 7 1 结论6 6 7 2 展望6 7 参考文献6 8 攻读硕士期间发表论文7 2 目录 致谢7 3 v l l i 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 纺织烘筒烘燥机是纺织印染行业和造纸行业普遍采用的一种接触式烘燥设备【1 1 ，用 来烘干、定型成品和半成品。而烘筒是该设备的主要部件。 烘筒按封头型式不同可分为：平型、碟形、s 型封头( 如图1 1 所示) 。材料多为不 锈钢或普通碳钢。筒体与封头连接多为焊接、热套或整体铸造。有时为了保证烘筒转动 平衡，在封头上都装有配重块。本文重点研究的烘筒封头型式为s 型封头是一种异型封 头1 2 】。异型封头很早就开始在某些领域应用，然而对于这样的异型封头的设计目前尚没 有相应的设计规范。由于技术条件的限制，设计单位及制造厂大都采用经验公式与试验 相结合的方法，在最大限度减少材料消耗的情况下而不超过强度极限，产品的设计制造 周期相对较长。由于往往依据经验设计，对应力分布的情况掌握不准，对财产生命安全 造成隐患，也影响了异型封头结构的进一步推广。 本课题受某公司委托，对该厂为用户设计制造的烘筒的s 型封头进行验证性有限元 分析，并在保证安全可靠的前提下，提出设计的优化与改进，使其达到最佳经济效益。 烘筒的s 型封头结构如图2 所示。主要参照标准有j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设 计标准 3 1 、g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器【4 】、f z 9 6 0 2 5 焊接式不锈钢烘筒 5 1 。 弋 ：3 - i i jj i j l i -_ lj -_ ； q 1 _ 、嵋 |-_一上 _ 嵋 l l 中叶r ： 舅 = 0 1 d i ) ，就是为了避免产 生过大的不连续应力，或防止开孔所引起的局部高应力区与封头过渡区边缘应力相重叠。 又如规定补强圈的厚度不得大于1 5 j n ( 锄为壳体名义厚度) ，当由于补强要求确需补强 圈的厚度大于1 5 锄时，宜将补强圈一分为二，在壳体内外两侧各焊一个比较薄的补强 圈，以减小附加的弯曲应力等，因而，规则设计又有一定的经验性。随着生产发展和科 学技术水平的不断提高，压力容器建造趋向大型化和高参数化，对其使用安全性要求越 来越高，应用现代计算技术进行容器的全面应力分析己经成为可能，因此按规则设计压 力容器的缺点和局限性就明显地暴露出来。 ( 1 ) 由于不考虑可变载荷对容器各部位引起不同的应力与变形，故无法进行疲劳分 析和预计寿命，也不能推测失效起源于何处。 ( 2 ) 弹性失效并不能表明容器的承载能力已经耗尽。不同性质的应力取同一应力评 定判据是不合理的，这对设计复杂结构的大型容器很不经济。而有效利用结构的塑性行 为己被证明是可行的。 ( 3 ) 取较高的安全系数无疑掩盖了失效的实质，其结果是增加了材料消耗和制造成 本，而厚度增加对容器安全有时适得其反。 ( 4 ) 对于一些不规则结构的设计没有相应的标准，只能通过经验以及实验的方法， 影响了设备的研发工作。 1 4 硕士学位论文 2 1 1 平形封头厚度计算 平板封头是化工设备常用的一种封头，平板封头的集合形状有圆形、椭圆形、长圆 形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。 根据g b l 5 0 钢制压力容器，圆形平盖厚度的计算： 6p = d c 热肛叫4 妄o _ 平盖计算厚度，i t i i t i p 。计算压力，m p a b 7 设计温度下封头材料的许用应力，m p a 焊接接头系数 k 平盖系数 眈平盖计算直径，i t i i l l ( 2 1 ) 万简体计算厚度，m l n 统简体有效厚度，1 1 1 1 1 1 内径d i = 8 0 0 m l n 的平形封头不锈钢( 0 c r l 8 n i 9 ) 纺织烘筒，封头材料为q 2 3 5 b ， 设计压力p c = 0 6 m p a ，设计温度t = - 1 6 5 0 c ，筒体的焊接系数l = 1 0 ，封头的焊接系数 2 = 0 8 5 ，平盖与圆筒的焊接方式为角接。 厚度为1 6 4 0m n l 时，封头材料q 2 3 5 一b 的许用应力：b 】f1 = 1 0 4 6m p a 设计温度t = 1 6 5 。c 时，不锈钢简体的许用应力： c r l = 1 0 9 8 m p a 角接形式的平盖计算直径：d 。= q = 8 0 0 i i l l n 简体计算厚度： 万3 恭2 0 6 x 8 0 0 = 2 6n l l n ( 2 - 2 ) 筒体有效厚度： 皖= 瓯一c = 3 5 一o 5 = 3 0m m ( 2 3 ) 第二章纺织烘筒封头设计方法 平盖系数： 平形封头的厚度： k ：o 4 4 鱼：o 4 4 堑：o 3 8 6 e 3 0 6 p = d c ( 2 - 4 ) _ 8 0 0 坐：3 8 m m (2-5)104 6 1 0 、7 各种封头中，平板结构最简单，制造也就方便，但正在同样的直径、压力下所需的 厚度最大，因此一般用于小直径和压力低的容器。当然有时在高压容器中，如合成塔中 的平盖，这是应为他的直径小厚度大，制造小直径大厚度的凸形封头很困难。烘筒的压 力相对较小，考虑到制造方便，对于5 7 0 的烘筒有时会采用平形封头；但对于内径 8 0 0 m m 及以上的烘筒，结合材料成本与制造成本综合考虑，应用的比较少。 2 1 2 碟形封头厚度计算 碟形封头又称带折边的球形封头，由以m 为半径的球面，以r 为半径的过度圆弧， h 为高度的直边三个部分组成，同时引进形状系数m 。根据g b l 5 0 钢制压力容器， 受内压碟形封头厚度的计算公式： f i g 2 1s t r u c t u i eo f t h ed i s h e dh e a d 万2 币瓜m p c r f 热m * 停 艿封头计算厚度 ( 2 6 ) 硕士学位论文 r j 碟形封头球面部分内半径 对于内径d i = 8 0 0 m i n 的碟形封头不锈钢( 0 c r l 8 n i 9 ) 烘筒，封头材料为q 2 3 5 b ， 设计压力p c = o 6 m p a ，设计温度t = 1 6 5 。c ，筒体的焊接系数矽l = 1 0 ，封头的焊接系数 l = o 8 5 ，平盖与圆筒的焊接方式为角接。 厚度为4 5 1 6m l n 时，封头材料q 2 3 5 b 的许用应力b 】fl = 1 1 0 6m p a 设计温度t = - 1 6 5 。c 时，不锈钢筒体的许用应力b 】fi = 1 0 9 8 m p a 标准碟形封头r i = 0 9 d i 过度圆弧内半径r = 0 1 7 d i m 斗丹扣糕 = 1 3 3 倍7 ， 6 ：丁墼：坐堕坐塑生：2 6 m m ( 2 - 8 ) “2 b 】f 一0 5 p 。2 x 1 1 0 6 x 1 0 0 5 x 0 6 “ 标准碟形封头相对于椭圆形、球形，加工成形容易，材料节省，相对于平板封头节 省材料。目前市场上的碟形封头运用的比较广泛。 以上计算主要是针对一些规则的结构，对于不规则的纺织烘筒s 型封头则需要用分 析设计的方法。 2 2 分析设计 压力容器分析设计是设计方法上的一个进步。a s v i e 中分析设计方法又称“应力分 析设计 ，再简称“分析设计”。它要求根据具体工况，进行详细的应力计算与分析， 考虑不同的失效形式，以新的观点和相应的规范进行设计的一种新方法。它的理论基础 是板壳力学、弹性与塑性理论以及结构的有限单元法。其先进性表现在： ( 1 ) 考虑了超出弹性范围以后结构的塑性行为，放弃传统的弹性失效准则。引入极 限分析与安定分析概念，采用塑性失效准则和弹塑性失效准则。 ( 2 ) 应用电子计算机技术和近代实验测试技术，对复杂结构的容器整体，包括任何 不连续区域都可以做详细的弹性应力分析与计算。 ( 3 ) 按不同性质的应力分类和失效形式给予不同的限制条件。机械应力以极限载荷 为界限；不连续应力或热应力以安定载荷为界限。当反复受载荷需做疲劳分析时，以疲 劳试验应力幅为界限。 ( 4 ) 引用虚拟应力( 弹性名义应力) 的概念可以方便地对高应力区做弹性应力分析， 以屈服后的虚拟应力与屈服应力之比表示塑性承载能力相时于弹性荷载提高的倍数。 第二章纺织烘筒封头设计方法 应力分析设计是要求出结构在承受载荷( 机械载荷、温度载荷) 以后，结构内应力 分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对此进行评定，以把应力控制在许 用范围内。如果不满足强度条件、刚度条件或稳定性条件，则要对初始结构进行修改， 直到结构符合要求，以确保结构的安全性，这一过程可用图2 2 表示。 一一一必要计算f l j i l 虑- j - j 士j 涎i i 孛, 1 二i i 一_ 一一j 石二1一上一一j 赢1 图2 2 应力分析与结构设计 f i g 2 2s t r e s sa n a l y s i sa n ds t r u c t u r ed e s i g n 要达到上述目的，必须采用一定的方法，尤其是要知道结构在外载荷作用下的应力 分布情况，这种十分必要的，对于压力容器和其他承压结构常用的应力分析设计方法有 解析法，数值法和实验法；本课题就是先用解析法从常规设计计算公式确定基本的尺寸 ( 比如确定初始厚度) ，然后通过数值计算( 有限元分析计算) 得到其数值解，然后通过 应力实验来验证其正确性，可行性。 2 2 1 解析法 在解决弹性问题时，通常用是己知：1 ) 结构的形状和几何尺寸；2 ) 材料常数：如弹 性模量、泊松比、屈服极限等；3 ) 外载荷：内压力、表面力、体积力、温度载荷等；4 ) 结构的约束情况；有了这些条件，理论上讲，就可以用弹性力学方法，通过平衡方程、 几何方程、物理方程、变形协调方程及边界条件求得问题的精确解。在压力容器问题中， 采用解析方法己解决了不少问题。如：厚壁筒在内压作用下的弹塑性分析、平板开孔、 凸形封头应力计算及边缘效应区弯曲应力的计算等。这些问题都给出了明确的表达式， 对复杂情况还给出了曲线图。 但由于弹性力学涉及到平衡方程、几何方程等都是偏微分方程，当研究的问题结构 复杂或者载荷复杂时，求解时就会遇到相当的困难，因此出现了近似解法，常见的近似 解法是采用能量原理和变分方法来寻求近似解。 求近似解基于的原理为：对于一个处于平衡状态的弹性体，其位移必使位能取得最 小值，而应力分量将使余能取得最小值。 1 8 硕士学位论文 2 2 2 数值方法 除了采用解析方法求精确解外，用变分方法可求出级数解，另一个重要方面就是用 数值方法求取数值解。数值方法最常用的是差分法和有限元法，特别是有限元法发展十 分迅速，用有限元法解决工程问题越来越多。 有限单元法最初是在5 0 年代作为处理固体力学问题的一种方法出现的，它是结构分 析矩阵方法的一个分支m 6 却】。有限单元法的基础原理是变分原理，虚功原理和最小势能 原理是有限元建立的基础【4 8 踟】。有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是随着电 于计算机的发展而迅速发展起来的一种现代分析计算方法。目前，有限单元分析在工程 界获得了广泛的应用，己成为杰出的工程分析工具。几十年来，有限单元法的应用己由 弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动 力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、粘塑性和复合材料等。 2 2 3 数值方法与解析方法的比较 用解析方法求精确解的局限性前文己经讲过，而数值方法得出的是关于真实问题的 近似解，而且所得到的解是针对某一具体问题，不能推广到其它问题。有关解析法与数 值方法的对比，如表2 1 所示。 表2 1 解析方法与有限元法对比 t a b 2 1c o m p a r i s o nb e t w e e na n a l y s i sm e t h o da n df e a 2 2 4 试验应力分析 试验应力分析是用物理模型或实物对结构进行应力分析的一种方法，在对压力容器 进行分析设计时，需要了解容器相关部位的应力分布情况，作为应力分类和应力强度评 定的基础。除用解析方法和有限元法以外，实验应力分析同样可以给出所需用要的数据。 试验方法求取应力可以在实际结构上进行测定，这种测定最能反映真实情况。例如，在 1 9 第二章纺织烘筒封头设计方法 压力容器采用新材料、新工艺、新结构时要对容器进行应变电测。 常用的实验应力分析方法主要有两种：一种是应变电测法，一种是光测弹性力学法。 其中光弹性法对于测定应力集中系数十分有效，但由于光弹性法需要用环氧树脂制作模 型、冻结应力等，过程较复杂，目前使用这种方法较少，应用最广泛的还是应变电测法。 在有限元法广泛应用以后，实验应力分析常被人忽视，实际上对于压力容器这样的 承压设备，安全性是十分重要的，尤其对新材料，新结构或工艺的容器对它的应力情况 及承载潜力更应当了解清楚，有条件一般要作为电测试验，掌握其真实情况。 2 3 烘筒s 型封头结构分析 图2 3 为某0 8 0 0 典型烘筒s 型封头的结构。由筒体、封头、凸缘法兰、人孔、真 空阀等装置组成。烘筒内的工作介质是饱和水蒸汽，其工作压力p = o 5 8 m p a ，工作温度 t = 1 6 0 c 。故取：设计压力阢= 0 6m p a ，设计温度t = 1 6 5 ，简体材料为不锈钢( 0 c r l 8 n i 9 ) ， 焊接系数c o = 0 8 5 ，厚度附加量c = 0 ，内径d j = 8 0 0 m m ，封头材料为q 2 3 5 b ，焊接系数 ( p = 1 0 ，厚度附加量c = i 0 m m 。 图2 3 典型烘筒s 型封头结构图 f i g 2 3t h es t r u c t u r e so f t h esh e a do f t h ed r y i n gt u m b l e r 2 3 1 s 型封头初步理论计算 根据对结构的分析，s 型封头可初步看作是半球型封头、锥形封头和平盖的组合件， 因此先尝试用标准分别对各段计算，估算封头的厚度。 厚度为4 5 1 6i n i n 时，封头材料q 2 3 5 b 的许用应力 o r = 1 1 0 6 m p a 2 0 硕士学位论文 a 受外压的半球型封头( 内径d ，= 6 0 r a m ) 用图算法计算，假设名义厚度瓯- 2 l l u l l ，则皖= 瓯c = l m m =丽0125=而0125a = 0 0 0 2 ( 2 1 4 ) = = = r 7 1 4 、 兄6 。( 6 0 + 2 ) l 。 卜”7 根据材料为q 2 3 5 b 的球壳厚度计算图【3 6 1 ，由a 查取b = 1 3 5 6 4 m p a 盼啬2 器圳8 8 m p a p 此时，虽然许用外压力m 比p 超出很多，但假设的吒已为最小值，故取瓯= 2m m b 圆形平盖 此结构中，圆形平盖与其周围可看作为角焊，故查阅平盖结构特征系数k 选择表 3 6 1 ，得 k o 4 4 6 a 。- 0 4 4 芸- 0 4 4 其中万筒体名义厚度； 瓯筒体有效厚度； 又平盖计算直径d c = 2 8 0 m m 受内压的大锥角无折边锥壳 ( 2 - 1 6 ) = 1 3 7 ( 2 1 7 ) 此结构中，半锥角o t = 7 1 。4 0 4 5 ”7 1 6 8 。 6 旷，故可先参考“h g 2 0 5 8 0 2 0 5 8 5 1 9 9 8 钢 制化工容器的方法 对锥壳而言，d 插= 2 8 0r l l r n ，d f = 6 1 2m m 6 女= 6 印+ c ：刍4 土+ c 2 o 】巾一p 。c o s o 2 1 1 0 6 1 o o 6c o s 7 1 6 8 0 66 1 2 o 2 一一十1 1 = 6 3m m 假设1 3 = o 7 ，则b i = m a x ( o 5 ，) = o 7 ( 2 - 1 8 ) 6 z 屯p + c 一器+ c 一然悄o s 一 第二章纺织烘筒封头设计方法 6 ，( 硒6 1 - c ) 6 ：p + c = 6 。 不妨取6 1 为1 0 m m 此时 1 3 = o 4 = 0 4 x = o 7 故假设成立，合理 恒成立 t a n 1 + t a n 7 1 6 8 0 - o 2 5 1 + 6 p = o 3 ( b 叫品 ：0 3 ( 6 1 2 7 0 ) 7 1 6 8 9 0 = 10 5 6 m m 封头厚度6 - - m i n m a x ( 8 t ，6 i ) ，6 | 口) 2 10 m l t l 0 2 5 + 1 0 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 相比较可见，这一计算结果与此( 1 ) 8 0 0 烘筒的尺寸是基本一致的，具有一定参考价 值，这为后面的a n s y s 应力分析提供了一个厚度的参考值。 硕士学位论文 第三章纺织烘筒封头的有限元分析 在传统的设计中，鉴于压力设备的安全问题的重要性，世界各工业国都制定了相应 的规范，其设计往往偏于保守，使得设计的容器显得笨重；另一方面，保守的设计会引 起用户和制造厂的成本上升，从而造成一些不必要的浪费。随着化工设备向着大型化、 复杂化、高参数化方向发展，作为压力窗口零部件设计的常规设计方法受到了冲击，受 压零部件的设计越来越多地利用应力分析来完成。有效的利用a n s y s 等c a e 工具地进 行有限元辅助分析设计，为化工机械设计提供了强有力的技术保证。 3 1a n s y s 软件的主要功能模块 在有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块( p r e p 7 ) ，分析 求解模块( s o l u t i o n ) ，后处理模块( p o s t l p o s t 2 6 ) 。 1 前处理模块( p r e p 7 ) a n s y s 的前处理模块主要实现三种功能：参数设置，实体建模，网格划分。 ( 1 ) 参数定义 a n s y s 程序在进行结构建模的过程中，首先要对所有被建模型的材料进行参数定 义。包括定义使用单位制，定义所使用的单元类型、实常数、材料特性等。 在a n s y s 中，并没有为分析指定固定的系统单位。除了磁场分析外，可以使用任 意一种单位制，只要保证输入的所有类型都是使用同一单位制里的单位即可。 单元类型的定义是结构进行网格划分的必要前提，a n s y s 程序根据所定义的单元类 型进行实际网格划分，而单元实数的确定也依赖于单元类型的特性。 ( 2 ) 实体建模 实体建模是先创建由关键点、线段、面和体构成的几何模型，然后利用a n s y s 网 格划分工具对其进行网格划分，生成节点和单元，最终建立有限元模型的一种建模方法。 这种建模方法的优缺点是：适合于复杂模型，尤其适合于3 d 实体建模；人工处理数据 量小，效率高；允许对节点和单元实施不同的几何操作；支持布尔操作；支持a n s y s 优化设计功能；可以进行自适应网格划分；可以进行局部网格细化；便于修改和改正。 但有时需要大量的c p u 处理时间；对小型、简单的模型有时很繁琐；在特定的条件下可 能会失败( 即程序不能生成有限元网格) 。 a n s y s 提供了两种实体建模方法：自底向上建模与自顶向下建模。自底向上建模时， 2 3 第三章纺织烘筒封头的有限元分析 用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、 面、体。自顶向下建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、多面体、棱柱等， 称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户可利用这些高级图元直接构造 几何模型，女h - - 维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。 无论使用这两种方法中的哪一种进行建模，用户均