压力容器有限元分析

有限元的分析简介有限元的分析简介 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 1 10 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创新实践课题 压力容器的有限元应力分析与设计 1 1 问题描述问题描述 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 2 设计基本参数如下表 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 结构壁厚计算三 结构壁厚计算 1 筒体厚度 计算厚度 cm ic PKS DP 2 设计厚度 12 CC d 名义厚度 34mm n 有效厚度 12 CC ne 2 椭圆形封头厚度 标准椭圆封头 计算厚度 0165 0 i R 设计厚度 12 CC d 名义厚度 18mm n 有效厚度 12 CC ne 3 手孔厚度 有限元建模分析有限元建模分析 本次分析采用 ansys10 0 建立有限元分析和应力设计 一 一 GUIGUI 操作方式操作方式 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 0 280 44 146 795 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 ME