壓力容器有限元分析

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)域帶來了歷史性的突破。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110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ANSYS的有限元分析工程應(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ANSYS的有限元分析工程應(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)1、 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?，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)。2、 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： 圖1 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： 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度：34mm有效厚度：2.橢圓形封頭厚度標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度： 設(shè)計(jì)厚度： 名義厚度：18mm有效厚度：3. 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 8node82（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0.3二、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 ，0,28044,146,795.3,846.3,44，62,600,742.8（2） 生成部分圓環(huán)面：執(zhí)行partial annulus 命令框中設(shè)置 wpx,wpy,theta1,rad,theta2,分別為0,280,355,8.75,373,63，0,280,355,67,.6,383,90（3） 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（4） 刪除面操作：執(zhí)行delete下的below命令，選擇A6和A8的面（5） 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（6） 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（7） 面相減操作，在boolsean 下的areas 選擇A10和A3兩個(gè)面生成如下圖（8） 面向加操作：在boolsean 下的add aaread選擇如下四個(gè)面生成如下圖生成關(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)（9） 生成關(guān)鍵點(diǎn)：在ratio下輸入line ratio=0.348,生成關(guān)鍵點(diǎn)21.（10） 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。（11）面分解操作：在Area by Line下，拾取A2，A3,A10面，拾取L33,L27,L26線，生成的圖形如圖所示。 （12）進(jìn)行編號(hào)壓縮操作 （13）合并關(guān)鍵點(diǎn)：執(zhí)行Merge Items命令，彈出圖所示。選擇Keypoints。 （14） 保存幾何模型 三、劃分有限元網(wǎng)格 （1）連接線過渡圓弧線：執(zhí)行Lines命令，拾取L22、L8和L28的線，單擊OK按鈕。 （2）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。 （3）設(shè)置全局單元尺寸：MeshTool命令，在SIZE文本框中輸入20。 （4）劃分網(wǎng)格：生成的有限元網(wǎng)格如圖所示：四、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13.5。 （2）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。 （3）顯示單元：執(zhí)行Plot Element命令，生成結(jié)果如圖所示。 （4）求解運(yùn)算：執(zhí)行Solve-Current 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。 （5) 保存分析結(jié)果 五、瀏覽運(yùn)算結(jié)果 （1）顯示變形形狀： 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〔煌?，所以容器的制作要根?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：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JB4732-1995鋼制壓力容器分析設(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： （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)前路勁上的所有應(yīng)力分量、主應(yīng)力及相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度。（6）疲勞分析校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)在接管與封頭相貫區(qū)的內(nèi)壁，通過計(jì)算，疲勞校核通過。 分析結(jié)論附錄一 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 附錄二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 附錄三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 附錄四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 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=C