基于ANSYS理论的高压储气罐三维静态分析.docx

基于ANSYS的高压储气罐三维静力学分析罗旭 201220679 动力工程摘要：本文利用ANSYS软件对储气罐进行了静力学应力、应变分析，得到了储气罐的应力、应变分布图，所得结果与理论计算值能够较好的吻合，为高压储气罐的设计提供依据。关键词：储气罐；有限元；应力；应变1工程背景高压储气罐用以储存压缩气体，保证在正常或应急情况下，提供足量的气体。高压储气罐具有建造结构简单、使用寿命长、对环境污染少、造价低等优点，随着工业生产的发展，储气罐在我国的应用越来越广泛。为提高储气罐的储存效率，人们总是尽可能提高储气罐内气体的压力和容积，因此对高压储气罐的结构进行全面的计算分析，具有重要的理论意义和工程实用价值。0.060本文以如图1.1所示储气罐作为对象进行分析，储气罐材料选用16MnR低合金钢，并采用正火处理。储气罐筒体直径为2米，高4米，壁厚0.04米；封头为椭圆型封头，封头高度0.4米，壁厚0.04米，具体尺寸如图1所示。储罐内介质压力5.7MPa，工作温度为20。2.080.0820.44图1.1 储气罐结构简图2 理论计算2.1 筒体应力计算传统的高压储气罐设计是利用薄壳理论进行计算的。根据该理论，储气罐器壁中的应力计算公式为：1t=pc（Di+te）2tet其中：1t校核设计温度下圆筒器壁中的计算应力，MPa；te筒壁有效厚度，m；pc储气罐设计压力，MPa；Di筒体内径，m；焊缝系数；t材料的许用应力，MPa。表2.1 焊接接头系数值焊缝形式无损探伤要求值焊缝形式无损探伤要求值双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头100%1.00带垫板的单面焊或对接接头100%0.90局部0.85局部0.80其中焊缝系数可根据表1选取。假设储液罐的所用焊缝接为双面焊的全焊透对接焊缝，焊缝进行100%探伤，则取焊缝系数=1。由于储液罐材料选用16MnR低合金钢，钢材采用正火处理，查机械设计手册表32.1-12可得，材料的b=470MPa，s=285MPa，钢材安全系数=1.25。则钢材的许用应力st=228MPa。代入数据可得，圆筒内壁的计算应力为：1t=5.7（1.92+0.04）20.04=139.65MPa故1tst，筒体强度满足要求。2.2椭球形封头椭圆形封头中的应力，包括由内压引起的薄膜应力和封头与筒体连接处的不连续应力。按照Huggenberger对薄膜应力好和Coatses对不连续应力的分析，椭圆型封头中的最大应力对圆筒周向薄膜应力的比值可表示为（ab）的函数关系。我国容器标准中的计算公式为：2t=pc(0.5t+KDi)2tt其中：2t椭圆封头中的应力，MPa；te筒壁有效厚度，m；pc储气罐设计压力，MPa；Di筒体内径，m；焊缝系数；t材料的许用应力，MPa。K应力增强系数。当ab=1.02.5时：K=16(2+(Di2hi)2)代入数据得：K=162+1.9220.42=1.293故可得椭圆封头中的应力为：2t=5.7(0.50.04+1.2931.92)20.041=178.35MPa故2tsolutiondefine loadsapply structure displacementon lines命令，拾取底座地面的所有外边界线，并约束3个方向的自由度。3.3.2载荷的施加及求解选取储气罐的所有内表面，并在内表面施加5.7MPa的设计压力。模型约束和载荷的施加如图3.3所示。当完成载荷施加后，进入求解器求解。图3.3 载荷施加3.4 后处理分析进入ANSYS的后处理模块可以得到一系列分析结果。后处理模块包括通用后处理模块和时间历程响应后处理模块。通用后处理模块可以用于查看整个模型或选定的部分模型在某一子步或时间步的结果。而时间历程响应后处理模块用于查看特定点在某一时间步的结果。3.4.1查看变形结果选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令,出现Contour Nodal Solution Date对话框,选择Nodal Solution/DOF Solution/displacement vector sum,得到位移分布图,如图3.4、3.5和3.6所示。根据分析结果可知，储气罐筒体的变形较小，而上封头和下封头的变形较大，最大变形为4.57mm，最大变形位于上封头的中心位置。3.4 筒体应变分布图3.5 上封头应变分布图3.6 下封头应变分布图3.4.2 查看应力分析结果选择Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令,出现Contour Nodal Solution Date对话框,选择Nodal Solution/stress，依次选择XY shear stress、YZ shear stress、XZ shear stress、Von Mises Stress分别得到XY平面、YZ平面、XZ平面内的剪应力分布图和Mises应力分布图,如图3.7、3.8、3.9和3.10所示。（a）筒体（b）封头图4.7 XY平面内剪力分布图（a）筒体（b）封头4.8 YZ平面内剪力分布图（a）筒体（b）封头4.9 XZ平面内剪力分布图（a）筒体内Mises应力分布（b）封头内Mises应力分布4.10 Mises应力分布根据分析结结果，列出分析结果表，如表3.1所示：表3.1 应力分析结果图项目最大应力值（MPa）最大应力位置XY平面内剪应力筒体96.3均布封头117封头左侧YZ平面内剪应力筒体35.8均布封头109封头上侧XZ平面内剪应力筒体97.8接管周围封头74.9封头左上角和右下角Mises应力筒体143均布封头187封头顶部接管处422接管与筒体连接处3.4.3结果分析与讨论（1）封头内的XY平面内的剪应力最大：XY=117MPa；筒体内的XZ平面内的剪应力最大：XZ=117MPa。（2）筒体内的Mises应力为：11t=143MPa；封头内的Mises应力为：21t=187MPa。与理论分析结果对比：筒体内：1=|1t-11t|1t100%=|139.65-143|139.65100%=2.40%；封头内：2=|2t-21t|2t100%=|178.35-187|178.35100%=4.85%。故ANSYS分析得到的结果与理论分析的误差在5%范围内，结果基本吻合，储气罐能够安全使用。（3）在接管处，由于存在结构不连续，发生应力集中现象，最大集中应力为max=422MPa。因此为保证储气罐的安全性，需要在接管处贴焊补强板。4 结论本文通过利用理论计算与有限元两种手段，对高压储气罐进行了三维静力学分析，并得到以下结论：（1）理论计算结果与有限元分析结果基本一致，符合储气罐的设计满足安全要求；（2）高压储气罐封头内的应力和变形比筒体内应力和变形要大，故在设计时刻适当增加封头的壁厚；（3）在筒体与接管连接处由于结构不连续，会出现应力集中现象，在设计过程中应当在接管处采取补强措施，以减小应力集中现象，保证储气罐的使用安全。参考文献：1 蔡毅田,东兴马,秋生.高压储气罐有限元分析J.华北航天工业学院学报.2012-02（1）：4-6；2王立新，马玉坤等.高压容器有限元分析J.机械设计与制造.2009-07（7）：63-64；3王志文，蔡仁良.化工容器设计T.化学工业出版社。2005.5；4机械设计手册.机械工业出版社.1995-12：第一版。/filname, stress of tank/title, stress of tank/PREP7 ET,1,SOLID185 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.06e11MPDATA,PRXY,1,0.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7850 K,1,1,2,0, K,2,0,2.4,0,K,3,0.92,2,0, K,4,0,2.32,0, WPSTYLE,1wpoff,0,2,0 CSWPLA,11,1,0.4,1, L, 1, 2 L, 3, 4 LSTR, 2, 4 LSTR, 3, 1 FLST,2,4,4 FITEM,2,3 FITEM,2,1 FITEM,2,4 FITEM,2,2 AL,P51X RECTNG,0.92,1,0,-2, NUMMRG,KP, , , ,LOW FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,360,1, FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,180,1, FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 WPCSYS,-1,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 CSYS,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 wprot,0,0,90CYL4,0,1.2,0.3,90,0.38,270,1.3 wprot,0,0,-180 CYL4,0,-1.2,0.3,90,0.38,270,1.3CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 FLST,2,2,6,ORDE,2 FITEM,2,6 FITEM,2,-7 VDELE,P51X, , ,1CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 CYL4,0,-1.2,0.3,-90,0.38,90,1.3 FLST,2,6,6,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-6 VOVLAP,P51X FLST,2,4,6,ORDE,3 FITEM,2,7 FITEM,2,-9 FITEM,2,11 VDELE,P51X, , ,1CSYS,0 FLST,3,8,6,ORDE,5 FITEM,3,1 FITEM,3,3 FITEM,3,10 FITEM,3,12 FITEM,3,-16 VSYMM,Z,P51X, , , ,0,0 WPSTYLE,0WPSTYLE,1TYPE, 1 MAT, 1REAL, ESYS, 0 SECNUM, ESIZE,0.05,0, FLST,5,16,6,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-16 CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 APLOT FLST,5,9,5,ORDE,9 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,53 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X ALLSEL,ALL FLST,5,6,5,ORDE,6 FITEM,5,31 FITEM,5,-32 FITEM,5,44 FITEM,5,50 FITEM,5,55 FITEM,5,58 ASEL,S, , ,P51X FLST,5,4,6,ORDE,4 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 FITEM,5,10 FITEM,5,12 VSEL,S, , ,P51X FLST,5,6,6,ORDE,6 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 FITEM,5,8 FITEM,5,10 FITEM,5,12 FITEM,5,14 VSEL,S, , ,P51X VPLOT FLST,5,20,5,ORDE,20 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,25 FITEM,5,32 FITEM,5,36 FITEM,5,38 FITEM,5,40 FITEM,5,-41 FITEM,5,45 FITEM,5,48 FITEM,5,52 FITEM,5,55 FITEM,5,58 FITEM,5,63 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X APLOTFLST,5,20,5,ORDE,20 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,25 FITEM,5,32 FITEM,5,36 FITEM,5,38 FITEM,5,40 FITEM,5,-41 FITEM,5,44 FITEM,5,-45 FITEM,5,48 FITEM,5,52 FITEM,5,55 FITEM,5,58 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X CM,a,AREA ALLSEL,ALL FINISH ANTYPE,0SAVE FINISH SAVE/SOLU FLST,2,2,4,ORDE,2 FITEM,2,22 FITEM,2,38DL,P51X, ,ALL,0 CMSEL,S,A FLST,2,20,5,ORDE,20 FITEM,2,2