壓力容器有限元分析

1、有限元的分析簡(jiǎn)介隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的分析方法已不能滿足現(xiàn)在社會(huì)的需求，以及更不能滿足一些問題的精確 分析，而有限元的出現(xiàn)和應(yīng)用 給機(jī)電、土木、航天等工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)了歷史 性的突破。ANSYS是 有限元的應(yīng)用軟件，主要用于幾何和網(wǎng)格劃分、多 物理場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、非線性結(jié)構(gòu)、仿真過程及數(shù)據(jù)管理、顯 示動(dòng)力學(xué)等多領(lǐng)域的應(yīng)用有限元法是求解工程科學(xué)中數(shù)學(xué)物理問題的一種通用數(shù)值方法。本書 介紹有限元法的基本原理、建模方法及工程應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)理論 與實(shí)踐的結(jié)合。 全書包括兩篇共16章，第1篇由第1 10章組成，介紹有限元法的基本理 論和方法，內(nèi)容包括：有限元法基本理論、平面問題、軸對(duì)稱問題和空間

2、問 題、桿梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、薄板彎曲問題以及熱傳導(dǎo)問題、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題、非線 性問題的有限元法。有限元主要介紹有限元建模技術(shù)及基于ANS YS勺有限元分析工程應(yīng)用，內(nèi)容包括：有限元建模的基本流程、模型簡(jiǎn)化技術(shù)、網(wǎng)格劃分技術(shù)、邊界條件處理與模型檢查以及基于ANS YS勺有限元分析工程應(yīng)用實(shí)例。創(chuàng)新實(shí)踐課題：壓力容器的有限元應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)、問題描述1、如圖1所示為一臺(tái)700立式儲(chǔ)罐，其手孔的直徑為88,材料為 16MnR設(shè)計(jì)壓力為13.5Mpa,工作壓力為12.3Mpa,彈性模量為201GPa泊 松比為0.3 ,要求利用有限元分析對(duì)此壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。2、立式儲(chǔ)罐用途：主要用于儲(chǔ)存氣體，如燃?xì)獾?/p>

3、，因?yàn)閮?chǔ)罐密封性能好 且能承受較高的壓力，所以將氣體壓縮成液體后，方便于儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)。二、設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下表：彈性模量201Gpa工作壓力12.3Mpa設(shè)計(jì)壓力13.5Mpa儲(chǔ)罐直徑700手孔直徑88泊松比0.3材料16MnR螺栓力82109N封頭直徑146壁厚34圓弧面直徑18封頭厚15立式儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如下圖所示:在壓力容器的應(yīng)力分析中，壓力容器部件設(shè)計(jì)關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及其大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”代替校核截面。該容器軸對(duì)稱，所以只需考慮對(duì)儲(chǔ)罐上半部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。法蘭上的螺栓力可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)集中力F,且F=82109N三、結(jié)構(gòu)壁厚計(jì)算1筒體厚度計(jì)算厚度：PcD2KS

4、m設(shè)計(jì)厚度：d名義厚度：34mmn有效厚度：eP cnc2cc21cl2.橢圓形封頭厚度標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度：設(shè)R 0.0165計(jì)厚度：名義厚度:有效厚度:3.手孔厚度18mmenC2Cj有限元建模分析本次分析采用ansys10.0建立有限元分析和應(yīng)力設(shè)計(jì)一、GUI操作方式定義工作文件名和工作標(biāo)題（1）定義工作文件名：執(zhí)行change jobname，文件名命名為wuzu（ 2）定義工作標(biāo)題：執(zhí)行change title命令，對(duì)文件的壓力進(jìn) 行分析（3）關(guān)閉三角坐標(biāo)符號(hào)定義單元類型和材料屬性（1）選擇單元類型：在elementtypes命令中選擇strucral solid和 quad 8no

5、de82（2）設(shè)置單元選項(xiàng)：在element type option命令框中選擇k3為axisymmertic（3）設(shè)置材料屬性：在material number命令框中設(shè)置ex為2.01e11，prxy 為 0.3A Lirr IsctrcicforNumber 1Linear Isotropic Material Properties for Material Number 1EXPRXVAdd Temperature Delete TemperatureGraphKCane 2Help二、建立幾何模型(1)生成矩形面，在by dimensios中設(shè)置三個(gè)矩形面數(shù)據(jù)如下：350 ,384,

6、 0,28044,146,795.3,846.3,44，62,600,742.8a nnwpx,wpy,theta1,rad,theta2,分別為 0,280,355,8.75,373,630,280,355,67,6383,90AN面疊分操作：執(zhí)行booleans下的areas命令A(yù)3和A5的面進(jìn)行疊加刪除面操作：執(zhí)行delete下的below命令，選擇A6和A8的面線倒角操作：執(zhí)行l(wèi)ines下的lines fillet命令，選擇要倒角的兩條線 在rad文本框中輸入20，這則另一倒角的兩條線，在RAD文本中輸入10線生成面操作：點(diǎn)擊by lines命令選擇如下兩組三條線生成兩個(gè) 面面相減操作

7、，在boolsean下的areas選擇A10和A3兩個(gè)面生成 如下圖 面向加操作：在boolsean下的add aaread選擇如下四個(gè)面生 成如 下圖(9)生成關(guān)鍵點(diǎn)：選擇A2面中的L5在line ratio選項(xiàng)框中輸入0.348生成關(guān)生成關(guān)鍵點(diǎn):在ratio下輸入line ratio=0.348,生成關(guān)鍵點(diǎn)21.生成線，拾取 “15,20”“22,19”“14, 17”“11, 21”“3, 13”“4, 16”“5,12”“21,5”“24, 18” 關(guān)鍵點(diǎn)生成九條線。再生成面。面分解操作：在Area by Line下，拾取A2, A3,A10面，拾取 L33,L27,L26線，生成的圖

8、形如圖所示。莒“ 2J .益 1KJL11 JL_3L-IU1 上 Ti&uk.進(jìn)行編號(hào)壓縮操作合并關(guān)鍵點(diǎn)：執(zhí)行Merge Items命令，彈出圖所示。選擇KeypointSo保存幾何模型三、劃分有限元網(wǎng)格連接線過渡圓弧線：執(zhí)行Lines命令，拾取L22、L8和L28的 線，單擊0K按鈕。設(shè)置單元尺寸：執(zhí)行MeshTool命令，彈出劃單擊Set按鈕，拾取 L1、L3、L15、L13、L19、L25、L26、L10、L27 和 L31 的線，彈出Element Sixes on Picked Lines對(duì)話框。輸入 NDIV=4設(shè)置全局單元尺寸：MeshTool命令，在SIZE文本框中輸入20。

9、戈吩網(wǎng)格：生成的有限元網(wǎng)格如圖所示:、施加載荷并求解(1)在線上施加面載荷：執(zhí)行Pressurel On Lines命令，拾取L4、L17、L14、L20、L30、L22、L8、L28、L24、L9 和 L7 的線。彈出對(duì)話 框，在Load PRES value文本框中輸入135。 施加集中載荷：執(zhí)行On Nodes命令，拾取編號(hào)為708的關(guān)鍵點(diǎn)。彈出如圖所示對(duì)話框。在Direction of force/mom中選擇FY,然后在Force/moment value文本框中輸入82109。顯示單元：執(zhí)行Plot Element命令，生成結(jié)果如圖所示ANLj . 求解運(yùn)算：執(zhí)行Solve-Cur

10、rent LS命令，瀏覽后執(zhí)行File/Close命令，在Solution is done對(duì)話框時(shí)單擊Close按鈕完成求解運(yùn)算v保存分析結(jié)果五、瀏覽運(yùn)算結(jié)果AN-1(1)顯示變形形狀:a- AiMLysX de a-crtof Tfai W； W1 暑 Mkf?容器施加載荷就會(huì)產(chǎn)生力，而容器壁受到力的作用將產(chǎn)生形變，變形量隨力的大小改變，所以圖中所出現(xiàn)的變形不同是因?yàn)槠涫艿降牧Φ拇笮〔?同，所以容器的制作要根據(jù)實(shí)際用途設(shè)計(jì)，其各個(gè)部位所使用的材料的量要 合適。變形公式為：F=ps所出結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。(2)顯示節(jié)點(diǎn)位移云圖：生成結(jié)果如圖所示：&.flit iKI.14SC-KEjSE-M.U

11、Z11-E4昇 j#眶 TB 舀t-3 LJtia- Jfcse*二 pjt 上 de ax-crt Gf TF圍容器受到力的作用容器壁產(chǎn)生變形就會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的位移變化， 變形量不同，節(jié)點(diǎn)位移也不同，符合設(shè)計(jì)要求（3）顯示節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力：生成結(jié)果如圖所示1-0$SL.SUItL.W131. ri!&41.511am-fiiS汕 l.曲 Ifcz LJti si AiM-Lj s de ax-crc af Tlx s:對(duì)設(shè)計(jì)載荷作用下進(jìn)行有限元分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。評(píng)定的依據(jù)為JB4732-199鋼制壓力容器一一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力線性化路徑的選擇原則為：（1）通過應(yīng)力強(qiáng)度

12、最大節(jié)點(diǎn)，并沿壁厚方向的最短距離設(shè)定線性化路徑；（2）對(duì)于相對(duì)高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)，沿壁厚方向設(shè)定路徑。設(shè)計(jì)工況下的評(píng)定線性化路徑如下圖所示，線性化結(jié)果如下圖所示， 都符合設(shè)計(jì)要求。（4）在路徑上映射數(shù)據(jù)的圖形顯示： 生成如圖所示：flhfciNLTI FUJIANtfSHE MJ7.AJtl- s- AL3ff_Ly2- d* iXATtof Trzj: (5) 圖形顯示當(dāng)前路徑上應(yīng)力線性化結(jié)果:以圖形顯示當(dāng)前路勁上AN的所有應(yīng)力分量、主應(yīng)力及相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度BdTJJATF-2af Trihz心-Ita- Azsff-LA sX de uht= .jurraw pm-If s.2-fe -疲勞分析校

13、核最高壓力工況與最低壓力工況下設(shè)備的最大應(yīng)力強(qiáng)度均出現(xiàn)在接管與圭寸頭 相貫區(qū)的內(nèi)壁，通過計(jì)算，疲勞校核通過。A附錄PRINT LINEARIZED STRESSTHROUGA SECTION DEFINED BY PATH= PATH2DSYS= 0* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 395 OUTSIDE NODE =350LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0* AXISYMMETRIC OPTION * RHO = 0.28417E+14SXSYSZSXYSYZSXZ2.

14、339124.6141.1-0.31360.0000.000S1S2S3SINTSEQV141.1124.6-2.340143.4135.9* BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI -8.7260.0000.0000.000C -2.5280.1974E-010.3828E-120.0000.0000.000-2.626O 3.6690.0000.0000.000S1S2S3 SINTSEQV3.6242.415-8.72612.3511.790.1974E-01 0.000-2.5282.5482.5383.669-2.3

15、76-3.6247.2936.756THE FOLLOWING X,Y,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES. MEMBRANE *SX SYSZ SXYSYZSXZI -11.07127.0144.7-0.31360.0000.000C -4.867124.6141.1-0.31360.0000.000O 1.330122.3137.5-0.31360.0000.000S1 S2S3 SINTSEQVI 144.7 127.0-11.07 155.8147.7C 141.1 124.6-4.868 146.0138.5O 137.5 122.31.330

16、 136.1129.2* PEAK *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX SYSZ SXYSYZSXZI 0.1776E-1411.002.67712.040.0000.000C 4.155-4.801-1.044-1.1390.0000.000O 0.0009.3332.218-7.3230.0000.000S1 S2S3 SINTSEQVI 18.74 2.677-7.742 26.4823.11C 4.297 -1.044-4.944 9.2418.035O 13.35 2.218-4.017 17.3715.24* TOTAL *I=INSIDE C=CENTE

17、R O=OUTSIDESX SYSZ SXYSYZSXZI -11.07138.0147.411.730.0000.000C -0.7129119.8140.0-1.4520.0000.000O 1.330131.6139.7-7.6370.0000.000S1 S2S3 SINTSEQVTEMPI 147.4139.0-11.98159.4155.30.000C 140.0 119.9-0.7304 140.8131.8O 139.7132.00.8841138.8135.10.000附錄二PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED B

18、Y PATH= PATH2* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 395 OUTSIDE NODE = 350LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0* AXISYMMETRIC OPTION *RHO = 0.28417E+14I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDETHE FOLLOWING X,Y ,Z STRESSES ARE IN SECTION COORDINATES.* MEMBRANE *SX 2.339S1 141.1SY124.6S2124.6SZ1

19、41.1S3 -2.340SXY-0.3136SINT143.40.000S135.9SYZ0.000EQVSXZ* BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI -8.7262.4153.6240.0000.0000.000C -2.5280.1974E-010.3828E-120.0000.0000.000O 3.669-2.376-3.6240.0000.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 3.6242.415-8.72612.3511.79C 0.1974E-010.000-2.5282.5482.538O 3.6

20、69-2.376-3.6247.2936.756SXSYSZSXYSYZSXZI -11.07127.0144.7-0.31360.0000.000C -4.867124.6141.1-0.31360.0000.000O 1.330122.3137.5-0.31360.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 144.7127.0-11.07155.8147.7C 141.1124.6-4.868146.0138.5O 137.5122.31.330136.1129.2* PEAK *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI 0.1776E-

21、1411.002.67712.040.0000.000C 4.155-4.801-1.044-1.1390.0000.000O 0.0009.3332.218-7.3230.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 18.742.677-7.74226.4823.11MEMBRANE PLUS BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZI-11.07138.0147.4C-0.7129119.8140.0O1.330131.6139.7S1S2S3I147.4139.0-11.98C140.0119.9-0.7304O139.7132.00.88

22、41* TOTAL t TOC o 1-5 h z SXYSYZSXZ11.730.0000.000-1.4520.0000.000-7.6370.0000.000SINTSEQVTEMP159.4155.30.000131.8135.10.000-4.9442233 14i(2479.2418.035C 4.297 -1.044O 13.35附錄三PRINT LINEARIZEDSTRESS THROUGHA SECTION DEFINEDBY PATH= PATH3* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 294 OUTSIDE NO

23、DE = 285LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0* AXISYMMETRIC OPTION *RHO = 0.81139E+13THE 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=OUTSIDESXSYSZSXYSY

24、ZSXZI -53.125.621-50.890.0000.0000.000C -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 0.53700.000-2.6263.1632.932O 50.8947.86-4.54755.4353.99I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX* PEAK tSYI=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESZSXYSYZSXZI -0.1243E-1

25、3-5.756-5.447-19.170.0000.000C 3.3030.86490.59290.18610.0000.000O 0.1421E-13-1.564-1.0847.2120.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 16.50-5.447-22.2638.7633.67C 3.3170.85080.59292.7242.605O 6.472-1.084-8.03614.5112.57SX* TOTAL *SYI=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXZSZSXYSYZI-11.70-1.39642.73-1.8180.0000.000C42.090.141

26、499.6617.530.0000.000O89.28-7.371148.924.560.0000.000S1S2S3SINTSEQVTEMPI42.73-1.084-12.0154.7450.180.000C99.6648.46-6.221105.991.71O148.995.16-13.25162.1143.00.000SXSYI-11.704.360C38.79-0.7235O89.28-5.807S1S2I48.1815.45C99.0645.33O149.992.35SZSXYSYZSXZ48.1817.350.0000.00099.0617.350.0000.000149.917.

27、350.0000.000S3SINTSEQV-22.7970.9661.52-7.258106.392.08-8.873158.8139.3附錄四BY PATH= PATH6PRINT LINEARIZED STRESS THROUGH A SECTION DEFINED* POST1 LINEARIZED STRESS LISTING *INSIDE NODE = 360 OUTSIDE NODE = 490LOAD STEP 1 SUBSTEP= 1TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0SXSYSZSXYSYZSXZ80.8137.30134.0-59.980.000 0.00

28、0S1S2S3SINTSEQV134.0122.9-4.748138.7133.5* BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZI -4.3994.882-3.2570.0000.0000.000C 0.1228-0.4937E-01 -0.4825E-120.0000.0000.000O 4.645-4.9803.2570.0000.0000.000S1S2S3SINTSEQVI 4.882-3.257-4.3999.2818.766C 0.12280.000-0.4937E-010.17220.1536O 4.6453.257-4.9809.6259.012* MEMBRANE PLUS BENDING *I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDESX