壓力容器封頭有限元分析

1、有限元原理及工程計(jì)算課程設(shè)計(jì)說明書指導(dǎo)老師： 專業(yè)名稱：工程力學(xué)學(xué) 號： 設(shè)計(jì)作者： 提交時(shí)間：2015.6.25 目 錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書21.1題目21.2結(jié)構(gòu)圖和計(jì)算參數(shù)21.3計(jì)算內(nèi)容21.4計(jì)算要求3二、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書32.1目的要求32.2主要計(jì)算步驟42.3計(jì)算結(jié)果分析42.4計(jì)算說明書內(nèi)容5三、計(jì)算說明書53.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖53.2材料和單元選擇53.3實(shí)體（幾何）建模63.4網(wǎng)格劃分與有限元建模83.5加載103.6計(jì)算和后處理113.7、結(jié)果分析20一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1題目壓力容器封頭有限元分析1.2結(jié)構(gòu)圖和計(jì)算參數(shù)1)、構(gòu)件的幾何形狀和尺寸；2、材料及性能；3、約束和邊界條件；

2、4、載荷）1.3計(jì)算內(nèi)容1） 構(gòu)件的幾何變形計(jì)算；2） 構(gòu)件的各方向的位移計(jì)算；3） 構(gòu)件的應(yīng)力分布場計(jì)算；1.4計(jì)算要求1） 計(jì)算說明書應(yīng)包括主要的計(jì)算步驟，計(jì)算公式、計(jì)算簡圖均應(yīng)列入，并盡量詳細(xì)描述計(jì)算過程；2） 計(jì)算說明書應(yīng)書寫清楚，字體工整，圖表清晰規(guī)范；3） 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算并提交計(jì)算說明書。二、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書2.1目的要求本課程設(shè)計(jì)是有限元理論及其應(yīng)用的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一，是一門了解有限元理論、應(yīng)用有限元方法對工程問題進(jìn)行計(jì)算的實(shí)戰(zhàn)性很強(qiáng)的課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，熟練掌握通用有限元軟件ANSYS對工程問題的計(jì)算全過程，進(jìn)一步綜合和深化對有限元以及力學(xué)理論中基本理論和基本概念的理解

3、。同時(shí)初步培養(yǎng)學(xué)生具備利用有限元方法對工程應(yīng)用問題進(jìn)行基本建模、加載、計(jì)算和結(jié)果分析的能力，使學(xué)生在計(jì)算、分析解決實(shí)踐工程力學(xué)問題的能力有較大的提高，為學(xué)生在今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和進(jìn)入社會工作后對工程問題的力學(xué)分析打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。2.2主要計(jì)算步驟1) 明確研究對象，合理簡化研究對象的力學(xué)分析。a、 對實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行合理簡化，確定主要研究對象；b、 對載荷和約束進(jìn)行合理簡化處理；c、 畫出簡化結(jié)構(gòu)分析圖；d、 了解構(gòu)件的材料特性和幾何特性。2) 啟動(dòng)ANSYA分析軟件，設(shè)定ANSYS分析環(huán)境；a、 設(shè)置項(xiàng)目工程名；b、 設(shè)置計(jì)算過程、結(jié)果存取工作目錄；3) 選擇適當(dāng)分析單元模型和材料模型，輸入相關(guān)材料

4、模型參數(shù)。a、 選擇適當(dāng)?shù)膯卧Ｐ?，設(shè)置相關(guān)截面參數(shù)、實(shí)常數(shù)等；b、 選擇適當(dāng)?shù)牟牧夏Ｐ?，設(shè)置材料模型的參數(shù)。4) 創(chuàng)建有限元模型a、 構(gòu)思建模步驟，創(chuàng)建模型；b、 應(yīng)用布爾運(yùn)算對模型進(jìn)行整合；c、 控制和合并重合單元、節(jié)點(diǎn)等。5) 網(wǎng)格劃分a、 確定每部分構(gòu)件的材料、單元；b、 選擇網(wǎng)格劃分方式；c、 調(diào)整已劃分網(wǎng)格；6) 加載和計(jì)算a、 設(shè)置載荷：集中力、分布力等；b、 設(shè)置約束：位移、對稱面等；c、 設(shè)置計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算；7) 后處理a、 取后處理構(gòu)件變形對比圖；b、 取后處理構(gòu)件節(jié)點(diǎn)位移圖；c、 取后處理構(gòu)件節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖，主要包括：第一主應(yīng)力圖、應(yīng)力強(qiáng)度圖、mises等效應(yīng)力圖等。2.

5、3計(jì)算結(jié)果分析利用ANSYS后處理得到構(gòu)件的變形圖、位移圖和應(yīng)力圖，針對這些圖，分析最大應(yīng)力發(fā)生點(diǎn)、最大變形發(fā)生點(diǎn)，分析該點(diǎn)的危險(xiǎn)性，提出一個(gè)解決方案并進(jìn)行計(jì)算對比。2.4計(jì)算說明書內(nèi)容計(jì)算說明書是學(xué)生提交計(jì)算結(jié)果及其分析的重要報(bào)告，其主要內(nèi)容包括下面幾個(gè)方面：1) 構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖2) 材料和單元選擇3) 有限元建模4) 網(wǎng)格劃分5) 加載6) 計(jì)算和后處理7) 結(jié)果分析三、計(jì)算說明書3.1構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖圖1 構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖3.2材料和單元選擇表1 構(gòu)件材料明細(xì)表材料彈性模量/Mpa泊松比屈服強(qiáng)度/Mpa筒體Q245R2.07E50.3245封頭Q245R2.07E50.3245開口接管20#2.06E5

6、0.3245由上表可知，該模型有兩種材料組成，但力學(xué)性能相差不大，為簡便起見，可簡化為同種材料，彈性模量為2e5Mpa，泊松比為0.3，選用常用的solid185單元。3.3實(shí)體（幾何）建模1、建模的基本思路。采用自底向上的建模，即先建立關(guān)鍵點(diǎn)，通過關(guān)鍵點(diǎn)建立線，由線生成面，再由面旋轉(zhuǎn)180度生成體。2、描述對工程實(shí)際對象簡化模擬方法，包括構(gòu)件的幾何簡化和約束、載荷的處理方式等。因?yàn)閴毫θ萜鳛檩S對稱結(jié)構(gòu)，取模型的一半進(jìn)行建模，在對稱面施加對稱約束。3、建模后的模型圖。圖2 等軸側(cè)立體圖圖3 左視圖圖4 俯視圖3.4網(wǎng)格劃分與有限元建模采用掃虐網(wǎng)格劃分，劃分后的模型如下：圖5 模型的網(wǎng)格劃分3.

7、5加載在模型的對稱面施加對稱約束，上下表面y方向上的自由度為0，內(nèi)壁施加0.58Mpa的壓力。圖6 邊界條件加載圖3.6計(jì)算和后處理圖7 模型總位移圖圖8 第一主應(yīng)力云圖圖9 應(yīng)力強(qiáng)度云圖圖10 Mises等效應(yīng)力云圖應(yīng)力集中處沿壁厚方向的三向應(yīng)力：S1:徑向應(yīng)力 S2：周向應(yīng)力 S3:軸向應(yīng)力圖11 三向應(yīng)力圖應(yīng)力線性化：如下圖定義三個(gè)路徑pathA，pathB，pathCCAB圖12 強(qiáng)度評定路徑設(shè)定（A,B,C）顯示該路徑上的應(yīng)力線性化結(jié)果，如下圖：PathA14圖13 PathA上的應(yīng)力分布圖列表顯示結(jié)果如下： * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 1.3

8、87 9.972 54.56 -3.902 0.3871E-01 -0.8276 S1 S2 S3 SINT SEQV 54.57 11.48 -0.1316 54.70 49.92 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.8158 -8.840 2.721 0.000 0.000 0.000 C -0.1303 -0.1865E-10 0.5740E-11 0.000 0.000 0.000 O 0.5551 8.840 -2.721 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT S

9、EQV I 2.721 -0.8158 -8.840 11.56 10.26 C 0.000 0.000 -0.1303 0.1303 0.1303 O 8.840 0.5551 -2.721 11.56 10.32 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.5715 1.132 57.28 -3.902 0.3871E-01 -0.8276 C 1.257 9.972 54.56 -3.902 0.3871E-01 -0.8276 O 1.943 18.81 51.84 -3.

10、902 0.3871E-01 -0.8276 S1 S2 S3 SINT SEQV I 57.29 4.757 -3.066 60.36 56.85 C 54.57 11.46 -0.2452 54.82 50.00 O 51.85 19.67 1.071 50.78 44.50 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.3331E-15 0.2312 0.3252 2.450 0.7848E-01 -0.6109E-02 C 0.1915 -0.2060 -0.3578E-02 0.1394 0.1277E-0

11、2 -0.1329E-02 O 0.2220E-15 0.5352 -0.5339 -2.885 -0.8444E-01 0.1077E-01 15 S1 S2 S3 SINT SEQV I 2.570 0.3252 -2.339 4.908 4.256 C 0.2355 -0.3571E-02 -0.2501 0.4856 0.4206 O 3.166 -0.5341 -2.631 5.797 5.084 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.5715 1.363 57.61 -1.452 0.1172

12、-0.8337 C 1.449 9.766 54.56 -3.762 0.3999E-01 -0.8290 O 1.943 19.35 51.31 -6.787 -0.4573E-01 -0.8169 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 57.62 2.465 -0.5435 58.16 56.72 0.000 C 54.57 11.21 -0.1148E-01 54.58 49.92 O 51.32 21.68 -0.4032 51.72 44.95 0.000 PathA圖14 PathB上的應(yīng)力分布圖16列表顯示結(jié)果如下： * MEMBRANE * SX SY SZ SX

13、Y SYZ SXZ 0.8554 2.488 56.28 3.027 0.8991 -0.2777 S1 S2 S3 SINT SEQV 56.30 4.801 -1.474 57.77 54.91 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -2.135 -3.909 7.396 0.000 0.000 0.000 C -0.5262 -0.8247E-11 0.1561E-10 0.000 0.000 0.000 O 1.082 3.909 -7.396 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3

14、SINT SEQV I 7.396 -2.135 -3.909 11.30 10.53 C 0.000 0.000 -0.5262 0.5262 0.5262 O 3.909 1.082 -7.396 11.30 10.19 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -1.279 -1.421 63.68 3.027 0.8991 -0.2777 C 0.3292 2.488 56.28 3.027 0.8991 -0.2777 O 1.938 6.396 48.89 3.027 0

15、.8991 -0.2777 S1 S2 S3 SINT SEQV I 63.69 1.675 -4.388 68.08 65.26 C 56.30 4.616 -1.815 58.11 55.18 O 48.91 7.915 0.3988 48.51 45.22 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -0.4441E-15 0.7497 -0.6557E-01 -2.636 0.6301E-01 0.4904E-01 C 0.7272 -0.5043 -0.6791E-01 -0.7179 0.5062E-02

16、0.1488E-02 O -0.2220E-15 0.5838 -0.8698 4.659 -0.7442E-01 -0.6157E-01 S1 S2 S3 SINT SEQV17 I 3.037 -0.6289E-01 -2.290 5.327 4.634 C 1.057 -0.6787E-01 -0.8343 1.892 1.648 O 4.962 -0.8714 -4.376 9.338 8.170 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -1.279 -0.6714 63.61 0.3913 0.9622

17、 -0.2287 C 1.056 1.983 56.22 2.309 0.9042 -0.2763 O 1.938 6.980 48.02 7.686 0.8247 -0.3393 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 63.63 -0.4889 -1.477 65.11 64.62 0.000 C 56.23 3.870 -0.8462 57.08 54.87 O 48.04 12.54 -3.641 51.68 45.78 0.000 PathC圖15 PathC上的應(yīng)力分布圖18列表顯示結(jié)果如下： * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ 2.49

18、5 -0.6592 39.24 2.230 -0.6205 -0.6114 S1 S2 S3 SINT SEQV 39.26 3.630 -1.815 41.07 38.64 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -1.396 -10.75 0.2959 0.000 0.000 0.000 C -0.9630 -0.2268E-10 0.6243E-12 0.000 0.000 0.000 O -0.5305 10.75 -0.2959 0.000 0.000 0.000 S1 S2 S3 SINT SEQ

19、V I 0.2959 -1.396 -10.75 11.04 10.30 C 0.000 0.000 -0.9630 0.9630 0.9630 O 10.75 -0.2959 -0.5305 11.28 11.16 * MEMBRANE PLUS BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 1.099 -11.41 39.53 2.230 -0.6205 -0.6114 C 1.532 -0.6592 39.24 2.230 -0.6205 -0.6114 O 1.964 10.09 38.94 2.230 -0.

20、6205 -0.6114 S1 S2 S3 SINT SEQV I 39.55 1.472 -11.80 51.35 46.17 C 39.26 2.901 -2.049 41.31 39.07 O 38.97 10.64 1.387 37.58 33.91 * PEAK * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 0.6661E-15 1.931 0.4210 -3.336 -0.1954E-01 -0.1752E-01 C 1.444 -0.9774 0.8625E-01 -0.1336 0.5039E-02 0.3980E-0

21、2 O 0.6661E-15 1.979 -0.7660 3.871 -0.6152E-03 0.1599E-02 S1 S2 S3 SINT SEQV I 4.439 0.4212 -2.508 6.947 6.041 C 1.452 0.8627E-01 -0.9848 2.437 2.115 O 4.985 -0.7660 -3.006 7.991 7.139 * TOTAL * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I 1.099 -9.477 39.95 -1.106 -0.6401 -0.6289 C 2.976 -1.637 39.32 2.096 -0.6155 -0.6074 O 1.964 12.07 38.18 6.101 -0.6211 -0.6098 S1 S2 S3 SINT SEQV TEMP I 39.97 1.206 -9.602 49.57 45.15 0.000 C 39.34 3.769 -2.450 41.79 39.06 O 38.21 14.91 -0.9068 39.11 34.08 0.000 3.7、結(jié)果分析應(yīng)力強(qiáng)度校核：Q245R的力學(xué)性能如下：表2 Q245R的力學(xué)性能鋼板厚度/mm抗拉強(qiáng)度R/(N/mm2)屈服強(qiáng)度R/(N/mm2)