基于ansys的压力容器应力分析

基于ansys的压力容器应力分析

0弹性失效准则压力容器是广泛应用于各种行业的压力容器设备。目前压力容器的设计可分为规则设计(DesignbyRule)和分析设计(DesignbyAnalysis)。规则设计依据标准GT3150《钢制压力容器》,它是基于“弹性失效”准则,结合经典力学理论和经验公式对压力容器的设计做一些规定,是一种基于经验的设计方法,得出的结构强度结果比较保守,这就限制了容器整体性能的提高和材料的有效利用。分析设计依据标准JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》,它是基于“塑性失效”与“弹塑性失效”准则,其理论基础是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法,是根据具体工况,对容器各部位进行详细地应力计算与分析,在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数,从而降低了结构的厚度,使材料得到了有效的利用。1采用后处理器interpersonalANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,是典型的CAE(ComputerAidEngineering)软件。其前处理器(preprocessor)能够建立被分析对象的几何模型,并进行有限元网格自动划分以及各种材料属性和求解单元的设置;强大的求解器(solution)可对各种加载进行分步求解;功能丰富的后处理器(generalpostproc)提供了对结果进行有效分析的工具。大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析,缩短了设计周期。本文利用有限元分析软件ANSYS对压力容器进行应力分析。2数值模型的建立本次作为分析对象的压力容器总长L1=2445mm,筒体内径d1=500mm,容器壁厚δ=10mm,进气口内径d2=200mm,材料为Q235-A,弹性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,σs=235MPa,设计压力p=1.3MPa。具体的实体模型生成方法有2种:(1)利用AN-SYS软件本身的建模功能,在ANSYS工作环境中直接创建实体模型。在这方面,ANSYS软件提供了非常方便的菜单功能,即只需用鼠标单击菜单中的选项,就能调出所需要的命令,并且能从图形窗口直接观察创建实体的建模效果。这种方法建立的模型往往是比较简单,且实体形状较为规则。(2)若形状为比较复杂的曲面模型、结构模型可以通过ANSYS的实体模型导入接口传入模型。ANSYS设置了与多种CAD、CAM、CAE软件的数据传输接口,如PROE,CATIA,UG等,通过这个接口,可以把其他造型软件开发的较为复杂的实体模型直接传入ANSYS中(从协同工作的角度来看,这样的接口也为产品设计开发过程中引入并行工程、逆向工程等高效设计开发方法提供了有益的保障)。由于本模型形状比较简单,所以运用交互模式在ANSYS软件中直接生成实体模型。ANSYS软件提供了2种实体建模的方法,即自底向上的建模方法和自顶而下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点,然后依次创建相关的线、面和体等图元。自顶而下的建模方法可以直接创建高级图元,如球、棱柱等三维实体,通常称之为几何体素。一旦用户定义了一个体素,程序会自动定义相关的面、线和关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型,如二维的圆和矩形以及三维的立方体、球、锥和圆柱等。同时在ANSYS建模过程中,自底向上和自顶而下的建模方法还可以自由组合使用。本模型采用的是自顶而下的实体建模的方法,基于壳体的几何轴对称性,且容器内压强处处相等,在分析中,取其一半模型进行有限元分析,在边界上限制某一方向的位移,从而生成如图1的模型。(2)网格划分在建模过程完成后,接下来要进行网格划分,相当于将整个实体分解成无数个不同位置、不同形状的“微元”,这些“微元”也就成了进行分析过程中的无数个“传感器”。通常网格划分有2种类型,即自由网格划分和映射网格划分。对于自由网格划分,没有单元形状的限制,网格也不遵循任何的模式,当增加网格数量时,更适用于了解与分析复杂形状局部的特定部位的应力应变情况,能够更好地进行诸如“接缝”、“拐角”、“过渡”等部位的应变量化研究。映射网格的划分则主要适合于规则的面或体,单元成行并有明显的规则形状。本文采用了自由网格划分,网格单元采用8节点六面体的SOLID82,它是结构分析中常用的三维实体单元。共有14489个单元,29450个节点。(3)施加边界条件并求解有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载荷,并有效地实现仿真加载,是运用有限元分析工具的关键一步。在本例中,模型受到的载荷有内压、外压以及重力和支撑力。考虑到重力和外压相对内压的影响而言数量较小,可以忽略。因此,只对内壁施加面载荷p=1.3MPa,接下来进入求解处理器对模型求解,获得应力云图,如图2所示。图中应力大小分别采用不同颜色表示,其中红色表示应力值最大,蓝色表示应力值最小,从图中可看出应力最大出现在筒体与进气管的接缝处,为42.59MPa。(4)结果分析图2反映了筒壁受内压作用后结构模型的应力情况,从图中可以看出:(1)由于内压作用,筒壁向外膨胀,模型为轴对称图形,所受的内压是均匀的,膨胀也是均匀的,与预期相符;(2)筒壁沿轴线方向应力分布是不均匀的,应力最大出现在筒体与进气管的接缝处。这是由于进气管处的模型尺寸发生了较大变化,导致应力集中,所以仿真结果是合理的;(3)通过对筒壁进行强度校核表明,当采用Q235-A材料,安全系数取2.5时,压力容器的最大应力值远远小于许用应力,表明壳体的承压空间还是有一定的提升空间。3基于anasas软件的压力容器结构分析通过以上对压力容器