ANSYS 练习1解答步骤

练习1 高压容器筒体与封头的连接区的应力分析由于球型封头在内压力作用下的两向应力相同，应力状态最好，在凸形封头中所需厚度最小，因此直径较大的高压容器一般采用球型封头。

但是，由于球型封头的厚度与相连筒体的厚度相差较大，因此，筒体与封头之间必然存在过渡区，通常采用锥形过度段进行连接。

而锥形过度段则通过削薄筒体端部获得，结构如图9-1所示。

由于结果的不连续，使得该过度区域称为高压容器告应力区之一。

1．问题描述某高压容器设计压力P=16MPa,设计温度T=200℃，材料为16MnR。

筒体内径R1=775mm，容器筒体与封头的连接区进行应力分析。

2．分析问题由于主要讨论封头与筒体过渡区的应力状况，忽略封头上的其他结构，如开孔接管等，建立如图9-2所示的有限元分析力学模型，其中筒体长度应远大于边缘应力的衰减长度，此处取筒体长度Lc=1200mm。

图9-1 高压容器球形封头与筒体链接区结构图9-2有限元分析模型有限元计算采用PLANE82单元，并设定轴对称选项。

筒体下端各节约束轴向位移，球壳对称面上各节点约束水平方向位移，内壁施加均匀压力面载荷。

3．GUI过程（1）环境设置。

Step 1 启动ANSYS：以交互模式进入ANSYS。

在总路径下面建立子路径F：\ANSYS_WORK,工作文件名取为E41，进入ANSYS界面。

Step 2 设置标题：执行Utility Menu＞Change Title命令，弹出Change Title对话框，输入vortex，单击OK按钮，关闭对话框。

Step 3 初始化设计变量：执行Utility Menu＞Parameters＞Scalar Parameters命令，弹出Scalar Parameters对话框，输入表4-1所列参数。

表9-1 参数表注意：初始化参数的时候不能连同单位一起输入，实际上，ANSYS没有单位的限制，设计者可以采用国际单位制，也可以采用非标准制，但无论如何彼此换算必须统一。

（2）定义单位及材料。

Step 1 定义单位类型：执行Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete 命令，弹出Element Type对话框；单击Add按钮，添加单元。

弹出Library of Element Types 对话框。

在左侧列表选择Structural0 Solid项，在右侧列表中选择Quad 8node82项，如图9-3所示。

单击OK按钮，退回至Element Type对话框。

图9-3 定义单元类型Step 2 设置轴对称选项：在Element Type对话框中，单击Options按钮，设置PLANE82 element type options 选项，在Element behavior K3下拉框中选择Axisymmetric，单击OK按钮，如图9-4所示。

图9-4 设置轴对称选项Step 3 定义材料属性：执行Main Menu＞Preprocessor＞Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，如图9-5所示，在右边的可选材料模型Material Models Available框中的选择Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic。

图9-5 Define Material Model Behavior对话框Step 4 单击Isotropic项，弹出Linear Isotropic for Material Number 1对话框，在EX文本框中输入E，PRXY文本框中输入nu。

单击OK按钮确定，关闭该对话框。

（3）创建模型。

Step 1 生成球壳部分子午面：执行Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞Partial Annulus命令，弹出执行框，在Rad-1、Theta-1、Rad-2、Theta-2中分别输入R2、0、R2+t2、90，单击OK按钮完成。

Step 2 生成筒体部分子午面：执行Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By 2 Corners命令，弹出执行框，在WP X、WP Y、Width、Height中分别输入R1、0、t1、-Lc+L,单击OK按钮完成输入，执行后所得几何图形如图9-6所示。

图9-6 几何模型Step 3 旋转、偏移工作平面：执行Utility Menu ＞WorkPlace ＞Offset WP by Increments 命令，弹出如图4-7所示选取框，首先在Degrees 一栏输入“0，-90”，单击Apply 按钮，再在Snaps 一栏输入“0,0,L”，完成偏移，单击OK 按钮结束。

Step 4 选择球壳部分子午面：执行Utility Menu ＞Select ＞Entities 命令，在下拉框中分别选择Area 、By Location 、Y coordinates ，在Min ，Max 一栏输入“0，R2+t2”，单击OK 按钮结束。

Step 5 用工作平面分割球壳部分子午面：执行Main Menu ＞Preprocessor ＞Modeling ＞Operate ＞Booleans ＞Divide ＞Area by WrkPlane 命令，弹出拾取框，单击Pick All 按钮完成。

Step 6 删除球壳应删除的部分：执行Main Menu ＞Preprocessor ＞Modeling ＞Delete ＞Area and Below 命令，弹出拾取框，选中编号为4的面，单击OK 按钮完成删除。

Step 7 提取定义过渡段的节点：在命令流输入框中输入k1=kp （R1，0,0），k2=kp （R1+t1,0,0），分别提取定义过渡段的节点1、2。

再执行Utility Menu ＞Select ＞Entities 命令，在下拉框中分别选择Keypoints 、By Location 、Y coordinates ，在Min ，Max 一栏输入“L ，0”，单击OK 按钮结束。

再在命令流输入框输入“*get ，k3，kp ，，num ，min”与“*get ，k4，kp ，，num ，max”，提取过渡段的节点3、4。

Step 8 全选择：执行Utility Menu ＞Preprocessor ＞Modeling ＞Create ＞Areas ＞Arbitrary ＞Through KPs 命令，选中该过渡段编号为8、7、9、10的4个点（分别对应k1、k2、k3、k4），单击OK 按钮结束。

注意：采用Arbitrary 生成平面的时候要注意连接点的顺序，否则生成的面得边界线编号会不一致。

本例中采用逆时针连线构成面。

（4）划分网格。

Step 1 部分与壁厚相关的线段:执行Main Menu ＞Preprocessor ＞Meshing ＞Size Cntrls ＞ManualSize ＞Lines ＞Picked Lines 命令，弹出拾取框，单击选中编号为2、5、7、11的四图9-7 工作平面调器条边壁线，单击Apply按钮，弹出如图9-8所示的对话框，将NDIV设定为nt，单击OK按钮结束。

图9-8 划分线段对话框Step 2 部分筒体内壁经向线段：重复Step 1，选中编号为8的筒体内壁经向线段，将NDIV设定为nc，SPACE部分比例设定为1/ra，单击OK按钮结束。

Step 3 部分筒体外壁经向线段：重复Step 1，选中编号为6的筒体外壁经向线段，将NDIV设定为nc，SPACE部分比例设定为ra，单击OK按钮结束。

Step 4 部分球壳内外壁经线线段：重复Step 1，选中编号为1、3的过渡段内外壁经向线段，将NDIV设定为ns，SPACE部分比例设定为ra，单击OK按钮结束。

Step 5 部分过渡段内外壁经线线段：重复Step 1，选中编号1、3的过渡段内外壁经向线段，将NDIV设定为nl，单击OK按钮结束。

Step 6 全选择：执行Utility Menu＞Preprocessor＞Mesh＞Areas＞Mapped＞3 or 4 sided 命令，网格划分结果如图9-9所示。

（5）施加载荷与约束。

Step 1 选择筒体底端各节点：执行Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设定选择模式Nodes、By Location、Y coordinates、From Full，在文本框中输入-Lc+L。

Step 2 在所选节点施加Y方向约束：执行Utility Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Displacement＞On Nodes命令，单击Pick all按钮。

在弹出的Apply U，ROT on Nodes对话框中选择UY，如图9-10所示，单击OK按钮。

图9-9 有限元网格模型图9-10 Apply U，ROT on Nodes对话框Step 3 选择X坐标为0的节点：执行Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设定选择模式Nodes、By Location、X coordinates、From Full，在文本框输入0，单击OK按钮确认。

Step 4 在所选节点上施加X方向轴对称约束：执行Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞Symmetry B.C. ＞On Nodes命令，在弹出Apply SyMM on Nodes对话框中选择X-axis，如图9-11所示，单击OK按钮确认。

图4-11 Apply SYMM on Nodes对话框Step 5 选择容器内壁对应的线单元：执行Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设定选择模式：Lines，By Num/Pick，From Full,单击OK按钮确认，弹出Select Lines对话框，选中编号为3、8、10的三条线段，单击OK按钮完成。

Step 6 选择依附在所选线单元上的节点：执行Utility Menu＞Select＞Entities命令，弹出Select Entities对话框，设定选择模式Nodes、Attached to、Lines all、From Full，单击OK 按钮确认。