基于ANSYS的某型压力容器静态与动态特性分析

第33卷第3期
2 0 18年8月
青岛大学学报（工程技术版）
JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY (E&T)
Vol. 33 No. 3Aug. 2 0 18
文章编号 # 1006 - 9798(2018)03 -0120 - 05; DO * 10.13306/1 1006 - 9798.2018.03.022
基于ANSYS 的某型压力容器静态与动态特性分析
黄妮，戴作强
(青岛大学机电工程学院，山东青岛266071)
摘要：针对压力容器容易发生强度失效和稳定失效等问题，本文基于A N S Y S 软件对某型压力容 器的静态与动态特性进行研究，获取了其应力集中危险位置。

在三维建模软件S o lid W o rk s 中，建 立压力容器的三维几何模型，使用自由边划分中面进行网格划分，并给出了载荷及边界条件，将前 处理完成的压力容器模型以c d b 格式导人A N S Y S 软件中进行求解，并在空罐状态下对压力容器 进行动力学特性分析。

分析结果表明，该压力容器的静强度具有一定的余量，不会发生强度失效；在空罐状态下，压力容器筒体和封头容易发生共振，可以在筒体位置适当增加阻尼和约朿，以加强 其稳定性，或者在振型最大处增大厚度以提高刚度，防止和避免共振带来的危害。

该研究保障了压 力容器在操作工况下安全可靠。

关键词：压力容器；A N S Y S #静强度分析；模态分析中图分类号：T H 49
文献标识码：A
压力容器是化工生产中极为重要的一类储运设备[1]，随着存储介质质量和种类的变化，压力容器产生失效事 故的可能性在不断增加，所以对压力容器进行静态和动态特性研究，分析其结构可靠性具有重要意义。

近年来， 对压力容器可靠性的研究有许多。

郑云虎等人）]采用静强度和模态分析结合的方法，对立式圆柱薄壁容器的振 动特性进行了研究，获得了压力容器的强度和刚度薄弱位置；张自斌等人）]对压力容器的宏观力学响应进行了分 析，并作出应力安全评定，同时运用子模型技术对压力容器接管区域进行了更为精确的应力分析；赵积鹏等人）] 采用特征值屈曲分析方法，得出了压力容器屈曲模态形状和临界外压，提出了压力容器安全使用的临界条件；朱 国樑）]应用A N S Y S 分析了立式厚壁压力容器筒体与封头的应力分布特点，提出了优化措施；马言等人）]针对压 力容器分层缺陷的扩展问题，从动力学角度对压力容器进行模态分析，找到了分层缺陷扩展的原因。

基于此，本 文从静态和动态两方面研究某型压力容器的静强度薄弱环节和抗振性能不足之处，根据有限元分析结果，对其进 行安全性能评价及动力学特性分析，保障压力容器在操作工况下安全可靠。

该研究对分析压力容器的结构可靠 性具有重要意义，具有一定的实际应用价值。

1三维模型的建立
液体干燥器的容积约为51 m 3，由筒体、封头和裙座等组成。

压力容器总长约为15 900 mm ,其中，筒体高度
10 BOOmm ,筒体前段厚度为26 mm ,筒体后段厚度为34 m m ,封头为标准椭圆形，其内径A =2 B O O mm ,两端封头厚度 为29. 62 m m ，裙座厚度为20 m m ，个地脚螺栓对称分布于裙座底端。

压力容器材料为Q 345R ，材料性能如表1所示。

在三维建模软件S o lid W o rk s 中，建立压力容器三维几何模 型，压力容器三维图如图1所示。

在有限元分析中，微小的结构 可能导致建模时间和计算量大幅增加，因此应抓住模型主要影
响因素，忽略其次要影响因素，对其进行简化处理78]。

对该压力 容器焊缝、温度计热电偶口、露点仪口、放空口、公用工程口及小倒角等进行简化，压力容器简化模型如图2所示。

2
有限元前处理
2.1
中面处理及网格划分
H y p e rM e sh 是一个高质量高效率的有限元前处理器，其强大的几何清理功能大大简化了对复杂几何进行仿
收稿日期# 2017-12-10;修回日期# 2018 - 02 - 20
基金项目：黄妮（1994 -)，女，湖南常德人，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车智能化动力集成技术。

作者筒介：戴作强（1962 -)，男，硕士，教授，主要研究方向为锂离子电池材料与系统。

Email: daizuoqiangqdu@
表1材料性能
杨氏弹性密度/
屈服极材
泊松比
模量/Pa
k g /m 3限/ M P a
Q 345R
2. 1X 1011
0.3
7 890
345
第3期黄妮，等：基于AN SYS的某型压力容器静态与动态特性分析121
真建模的过程）]。

将简化后的压力容器三维模型导人H y p e rM e s h中，按厚度抽取模型中面，将焊接部位按节点 耦合法处理为一体化，去除中面上的硬点、小孔等微小结构，适当添加自由边处理模型中面，便于网格精 分。

图1压力容器三维图（剖视图）图2压力容器简化模型（剖视图）
在进行网格划分时，应综合分析目的、模型特点和精度要求，选择合适的网格单元类型和网格划分大小。

压 力容器模型壁厚 小于 度，适合采用壳单元进行网格划分，将划分的网格单元尺寸控制在40 m m，共得到节点总数为81 400个，单元总数为81 387个，三角形单元占0.8%，雅克比均在0.6以上，网格质量良好。

压力 容器有 模型如图3所示。

2.2载荷及边界条件
由图3可以看出，该压力容器通过地脚螺栓（右端黄色方
框标记处）固定在地面上，所以约束设 螺栓 处，
制6个方向的自由度。

作工 ，对 容器进行有
限元分析，压力容器正常操作时，其载荷值为1. 758 M P;压力 图3压力容器有限元模型
容器最大时，其载 1.930 M P a。

将压力容器模型全部内表面（包括各 表面）作 面，输人压力，完成 义。

将材料属性、单元类型、实常数 对应的组件，完成了 容器有 处理。

3有限元求解及后处理
A N S Y S与H y p e rM e sh能实现数据共享和交换[10]。

将前处理完成的压力容器模型以c d b格式导人A N S Y S 软件中进行求解，得到在操作工 ，压力容器应力云图和 云图如图4和图5所示。

由图4可以看出，在操作工况下，压力容器最大应力为303. 552 M P a，屈服极限为345 M P a，安全系数为 1.13,满足强度要求，最大应 出端封头 处，在设计过程 适 大该区域厚度值。

由于
壁 了载荷，部分应 偏大，裙座部分应 偏小。

由图5看出，最大 出部封头的 处，在设计过程 适 大该区域刚度。

综上，容器 度具有一定的强度 ，在使用过程 。

4模态分析
计算结构 特性的数值方法称为模态分析[11]，模态分析是将线性常微分方程组的物理 转换为模态坐标，将方程组解耦成能够 模态坐标和模态参数的 方程组，以求得系统的模态参数[12]。

模态分析是结构态设计的 方法[13]，它用于 设计机械构件固有频率和振型[14]。

模态分析分为数值模态分析和 模态分析 )5*。

数值模态分析主要采用有限元法，它将弹性结构离散为有限个弹性特性单元，并在计进行理论运算[16]。

在进行结构模态分析时，只要保证模型正确，单元和模态分析法选择合理，就能得到 的结果，通过运
122青岛大学学报（工程技术版）第33卷
用A N S Y S进行模态分析可将工作变得轻松直观[17]，而且运用A N S Y S对结构进行模态分析，其计算速度非常：18]…
本文进行模态分析时采用的是B lo c k L a n c z o s法，B lo c k L a n c z o s法最适合由壳或壳与实体组成的模型[19]，该方法 义结构的主自由度振动方向，计算精度很高[(。

模态分析 度分析 用同一网格模型。

将网格模型 螺栓处施加约束，限制该模型6个方向的自由度，再将 人A N S Y S中进行约束模态分析，而得到 状态下，压力容器各 有频率振型如表2所示，压力容器模态如图6所示。

模态计算结果由固有频率和振型两大部分组成，固有频 的大小反映了结构的刚度和抗振能力，固有频率
越大，表示结构刚度越大， ，稳定性越高）]。

状态下，压力容器筒体部分容易振动，可以在筒适 和约束，或者 型最大处增大厚度以提高刚度，防止和避免 的 。

表2压力容器各阶固有频率振型
数有频％W z型数有频％W z型
18. C// 7封头及筒伸635.654筒体振动
28.719 3封头及筒伸745.777封头、筒体及裙座振动
324.618 0筒体振动846.123封头、筒体及裙座振动
424.658 0筒体振动948.640头、及
535.6270筒体振动1050.631及部1
第1阶模态b第2阶模态
第3阶模态d第4阶模态
e第5阶模态f第6阶模态
第3期黄妮，等：基于AN SYS的某型压力容器静态与动态特性分析123 g第7阶模态h第8阶模态
第9阶模态
图U压力容器模态
5结束语
本文以液体干燥器为例，对压力容器进行了静强度分析和模态分析，得出压力容器在承载时的应力分布规律、变形情况和 容器 特性。

为了使分析结果精度高，本文采用H y p e r M e s h和A N S Y S对压力容器进行分析。

通过仿真模拟对结构进行分析能够 设计周期，降 成本，提高结构可靠性，因此，本文采用的分析方法对于 容器的生产设计，具有一定的实用价值。

模拟并非 数据，若要得到更为精确的数据，还需要对压力容器进行进一步的试验。

在本文 基 ，还 进一步对 容器进行优化设计和疲劳分析等，以得到 的 容器模型。

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124青岛大学学报（工程技术版）第33卷
Static and Dynamic Analysis of a Pressure Vessel Based on ANSYS
H U A N G N i，D A I Z u o q i a n g
(School of Electromechanic Engin eerin g,Qingdao U n iv e rsity，Qingdao 266071，China)
Abstract:In view of the pressure vessel prone to strength failure and stability f ailu re，the chrracteristics of a pressure vessel were studied based on A N S Y S so ftw a r e，and the stress concentration dan­
gerous position was obtained.In the three-dimensional modeling software So lid W o rk s，three-dimensional ge­
ometry model of pressure vessel w as created，meshing on the middle face with free ed ge s，and the load and
boundary conditions were given.T h e model of pressure vessel completed by pre-processing was imported into
A N S Y S software in cdb fo rm a t，and the dynamic characteristics of pressure vessel under empty tank condition
w as analyzed.T h e analysis results show that the static strength of the pressure vessel has a certain allo and the strength failure will not occur；T h e pressure vessel shell and the head are prone to resonance in the
empty tank state，the damping and restraint can be appropriately increased in the cylinder to enh t y，or thickness can be increased wherevibration induced shape distortion occurs at maximum to i s tiffn e ss，so as to avoid the harm caused by resonance.T h is study ensures the safety and reliability of sure vessel under operating conditions.
Key words：pressure v e sse l;A N S Y S;static an aly sis;modal analysis
(上接第119页）
Study on the Control of the Vibration Response of Casing
by Gears Micro-Modification
S U C h e n g y u n1，2，S H A N F e n g w u3，G U O M i n g z h o n g2，
L I U X i a o2,X U X i a n g y a n g1，2
(1. School of Transportation Science and E n gin eerin g，Beihang U n iv e rsity，Beijing 100191 ,C h in a；
2.National Engineering Research Center for Passenger Car A uto-T ran sm issio n s，Weifang 261205，C hin a；
3.Jian gxi Jiangling M otors Electric Vehicle C o.L T D.，Nanchang 330013，China)
Abstract：T o reduce the vibration noise of the transm ission，this paper takes an automatic transmission research object，and studies the control of the vibration response of casing.T h e mathematical model of dynamic
vibration response of gearsis analyzed，a combination method of multi-body dynamics optimization and mental verification isu sed，the dynamic simulation model of the transmission system included the casingis set up
by R o m a x.Static transmission error is set as the optimization ta rg e t，and the effect of gears micro-modification
(profile slope deviation：f H a，profile modification：C a，helix slope deviation：f H b，helix lead crow n in g：Cb)
is studied on the vibration response of the transmission casing.With the sensitivity an aly sis，the influ rameter can be controlled effectively，so that the gear can be processed.T h e results of simulation and experi­
ment show that the vibration acceleration amplitude of the key position on the casing can be reduced by optimi­
zing the static transmission error.M o re o v e r，the sound pressure level of the meshing gear was significantly re­
duced after optimization，from 84. 1dB to 77. 7 d B，and the whistle disappeared，thus verifying the accuracy of the optimization results.This study can effectively reduce the vibration and noise and improve t h e N V H level of vehicle.
Key words：automatic transm ission；micro-modification；vibration re sp on se；transmissionerror。