压力容器有限元分析报告

1、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，容包括：有限元法基本理论、平面 问题、轴对称问题和

2、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， 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一、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

3、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。二、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.

4、筒体厚度计算厚度：PcDi2KSmPc设计厚度：dC2C1名义厚度：n 34mm有效厚度：e nC2C12. 椭圆形封头厚度标准椭圆封头计算厚度：Ri 0.0165设计厚度： dC2C1名义厚度： n18mm有效厚度： en C2C13. 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

5、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

6、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

7、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

8、 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

9、 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 v

10、alue 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

11、）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

12、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主应力及相关的应力强度的所有应力分（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 与封头相贯区的壁，通过计算，疲劳校核通过。分析结论附录PRINT LINEARIZED STRESS THROUGHA SECTION DEFINED BY PATH= PATH2DSYS= 0* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 395 OUTSIDE NODE = 350LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CAS

13、E= 0* AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.28417E+14THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.SXSYSZSXYSYZSXZ2.339124.6141.1-0.31360.0000.000S1S2S3SINTSEQV141.1124.6-2.340143.4.9* BENDING* I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZ2.4153.624MEMBRANE *I -8.7260.000C -2.5280.000O 3.6690.000S1 S

14、23.624 2.4150.1974E-010.3828E-120.0000.000-2.376-3.6240.0000.0000.0000.0000.1974E-01 0.000 3.669 -2.376S3 SINT-8.726 12.35-2.528 2.548-3.624 7.293SEQV11.792.5386.756SXI -11.07SYSZ SXY127.0SYZ144.7SXZ-0.31360.0000.000C -4.867124.6141.1-0.31360.0000.000O 1.330122.3137.5-0.31360.0000.000S1S2S3 SINTSEQV

15、I 144.7127.0-11.07 155.8147.7C 141.1124.6-4.868 146.0.5O 137.5122.31.330 136.1129.2* PEAK *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZ SXYSYZSXZI 0.1776E-1411.002.67712.040.0000.000C 4.155-4.801-1.044 -1.0.0000.000O 0.0009.3332.218-7.3230.0000.000S1S2S3 SINTSEQVI 18.742.677-7.742 26.4823.11C 4.297-1.044-4.944

16、 9.2418.O 13.352.218-4.017 17.3715.24* TOTAL *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZ SXYSYZSXZI -11.07.0 147.4 11.73 0.000 0.000C -0.7129119.8140.0-1.4520.0000.000O 1.330131.6.7 -7.6370.0000.000S1S2S3 SINTSEQVTEMPI 147.4.0 -11.98 159.4 155.3 0.000C 140.0119.9-0.7304 140.8 131.8O .7 132.0 0.8841 .8 .1 0.0

17、00BY PATH= PATH2附录二PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINEDDSYS= 0LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0RHO = 0.28417E+14* AXISYMMETRIC OPTION *THE FOLLOWING X,Y ,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.* MEMBRANE *SXYSYZSXZSXSYSZ2.339124.6141.1-0.31360.0000.000S1S2S3SINTSEQV141.1124

18、.6-2.340143.4.9SX* BENDING * SY2.415I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXZ0.000SZ3.624SXY0.000SYZ0.000I-8.726C-2.5280.1974E-010.3828E-120.0000.0000.000O3.669-2.376-3.6240.0000.0000.000S1S2S3SINTSEQVI3.6242.415-8.72612.3511.79C0.1974E-010.000-2.5282.5482.538O3.669-2.376-3.6247.2936.756* MEMBRANE PLUS BENDING

19、 *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI-11.07127.0144.7-0.31360.0000.000C-4.867124.6141.1-0.31360.0000.000O1.330122.3137.5-0.31360.0000.000S1S2S3SINTSEQVI144.7127.0-11.07155.8147.7C141.1124.6-4.868146.0.5O137.5122.31.330136.1129.2SX* PEAK *SYI=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESZSXYSYZSXZI 0.1776E-1411

20、.002.67712.040.0000.000C 4.155-4.801-1.044-1.0.0000.000O 0.0009.3332.218-7.3230.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 18.742.677-7.74226.4823.11C 4.297-1.044-4.9449.2418.O 13.352.218-4.01717.3715.24* TOTAL *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZ SXYSYZ SXZI -11.07.0147.411.730.0000.000C -0.7129119.8140.0-1.4520.0000.0

21、00O 1.330131.6.7-7.6370.0000.000S1S2S3SINTSEQVTEMPI 147.4.0-11.98159.4155.30.000C 140.0119.9-0.7304140.8131.8O .7132.00.8841.8 .10.000附录三PRINT LINEARIZEDSTRESS THROUGH A SECTION DEFINEDBY PATH= PATH3DSYS= 0* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 294 OUTSIDE NODE = 285LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1T

22、IME= 1.0000 LOAD CASE= 0RHO = 0.81139E+13* AXISYMMETRIC OPTION *THE FOLLOWING X,Y ,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.* MEMBRANE *SXSYSZSXYSYZSXZ41.42-1.26199.0617.350.000 0.000S1S2S3SINTSEQV99.0647.58-7.422106.592.24* BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI -53.125.621-50.890.0000.0

23、000.000C -2.6260.5370-0.8475E-100.0000.0000.000O 47.86-4.54750.890.0000.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 5.621-50.89-53.1258.7457.65C 0.53700.000-2.6263.2.932O 50.8947.86-4.54755.4353.99* MEMBRANE PLUS BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI-11.704.36048.1817.350.0000.000C38.79-0.723599.0617.350

24、.0000.000O89.28-5.807149.917.350.0000.000S1S2S3SINTSEQVI48.1815.45-22.7970.9661.52C99.0645.33-7.258106.392.08O149.992.35-8.873158.8.3* PEAK AXISYMMETRIC OPTION * THE FOLLOWING X,Y ,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI -0.1243E-13-5.756-5.447-19.170.0000.0

25、00C3.3030.86490.59290.18610.0000.000O0.1421E-13-1.564-1.0847.2120.0000.000S1S2S3SINTSEQVI16.50-5.447-22.2638.7633.67C3.3170.85080.59292.7242.605O6.472-1.084-8.03614.5112.57* TOTAL *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI-11.70-1.39642.73-1.8180.0000.000C42.090.141499.6617.530.0000.000O89.28-7.37

26、1148.924.560.0000.000S1S2S3SINTSEQVTEMPI42.73-1.084-12.0154.7450.180.000C99.6648.46-6.221105.991.71O148.995.16-13.25162.1143.00.000附录四PRINT LINEARIZEDSTRESS THROUGHA SECTION DEFINEDBY PATH= PATH6RHO = 0.26461E+14DSYS= 0* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 360 OUTSIDE NODE = 490LOAD STEP

27、1 SUBSTEP= 1SX80.81S1134.0* MEMBRANE *SY SZ37.30 134.0S2 S3122.9-4.748SXY SYZ-59.98 0.000 0.000SINTSEQV.7.5SXZTIME= 1.0000 LOAD CASE= 0SXSY4.882SZ-3.257SXY0.000SYZSXZI-4.3990.0000.000C0.1228-0.4937E-01-0.4825E-120.0000.0000.000O4.645-4.9803.2570.0000.0000.000S1S2S3SINTSEQVI4.882-3.257-4.3999.2818.766C0.12280.000-0.4937E-010.17220.1536O4.6453.257-4.9809.6259.012* MEMBRANE PLUS BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE