压力容器有限元分析
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有限元的分析简介
随着科技的进一步发展,传统的分析方法已不能满足现在社会的
需求,以及更不能满足一些问题的精确分析,而有限元的出现和应用给机电、土木、航天等工业领域带来了历史性的突破。ANSYS是有限元的应用软件,主要用于几何和网格划分、多物理场、结构力学、流体动力学、非线性结构、仿真过程及数据管理、显示动力学等多领域的应用
有限元法是求解工程科学中数学物理问题的一种通用数值方法。本书介绍有限元法的基本原理、建模方法及工程应用,强调理论与实践的结合。全书包括两篇共16章,第1篇由第1~10章组成,介绍
有限元法的基本理论和方法,内容包括:有限元法基本理论、平面问题、轴对称问题和空间问题、杆梁结构系统、薄板弯曲问题以及热传导问题、结构动力学问题、非线性问题的有限元法。有限元主要介绍有限元建模技术及基于ANSYS的有限元分析工程应用,内容包括:有限元建模的基本流程、模型简化技术、网格划分技术、边界条件处理与模型检查以及基于ANSYS的有限元分析工程应用实例。
创新实践课题:压力容器的有限元应力分析与设计
一、问题描述
1、如图1所示为一台Ф700立式储罐,其手孔的直径为Ф88,材料为16MnR,设计压力为13.5Mpa,工作压力为12.3Mpa,弹性模量为201GPa,泊松比为0.3,要求利用有限元分析对此压力容器进行应力分析设计。
2、立式储罐用途:主要用于储存气体,如燃气等,因为储罐密封性能好且能承受较高的压力,所以将气体压缩成液体后,方便于储存在储罐内。
二、设计基本参数如下表:
弹性模量 201Gpa
12.3Mpa 工作压力13.5Mpa 设计压力
700 储罐直径88 手孔直径
0.3 泊松比
16MnR 材料
82109N 螺栓力146
封头直径.
壁厚 34
18 圆弧面直径
15
封头厚
立式储罐结构示意简图如下图所示:
图1
在压力容器的应力分析中,压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小,可采用沿壁厚方向的“校核线”代替校核截面。该容器轴对称,所以只需考虑对储罐上半部分进行分析设计。法兰上的螺栓力可以转化为一个集中力F,且F=82109N。
三、结构壁厚计算
筒体厚度1.
PD计算厚度:?ic?2KS?P cm设计厚度:??C??C?1d2名义厚度:34mm ??n有效厚度:??C???C12en2.椭圆形封头厚度
标准椭圆封头
计算厚度:?0165.??R0i设计厚度:??C???C1d2名义厚度:18mm ??n有效厚度:??C??C?12en
3.手孔厚度
有限元建模分析
本次分析采用ansys10.0建立有限元分析和应力设计
一、GUI操作方式
定义工作文件名和工作标题
(1)定义工作文件名:执行change jobname,文件名命名为wuzu (2)定义工作标题:执行change title 命令,对文件的压力进行分析
(3)关闭三角坐标符号
定义单元类型和材料属性
(1)选择单元类型:在elementtypes命令中选择strucral solid 和quad 8node82
(2)设置单元选项:在element type option命令框中选择k3为axisymmertic
(3)设置材料属性:在material number 命令框中设置 ex为0.3 为prxy,2.01e11.
二、建立几何模型
(1)生成矩形面,在by dimensios中设置三个矩形面数据如下:350 ,384 ,0,280
44,146,795.3,846.3,44,62,600,742.8
(2)生成部分圆环面:执行partial annulus 命令框中设置
wpx,wpy,,theta1,rad,theta2,分别为0,280,355,8.75,373,63,
0,280,355,67,.6,383,90
(3)面叠分操作:执行booleans 下的areas命令A3和A5的面进行叠加
(4)删除面操作:执行delete下的below命令,选择A6和A8的面(5)线倒角操作:执行lines下的lines fillet命令,选择要倒角的两条线在rad文本框中输入20,这则另一倒角的两条线,在RAD
文本中输入10
(6)线生成面操作:点击by lines命令选择如下两组三条线生成两个面
(7)面相减操作,在boolsean 下的areas 选择A10和A3两个面生
成如下图
(8)面向加操作:在boolsean 下的add aaread选择如下四个面生成如下图
生成关键点:选择A2面中的L5在line ratio 选项框中输入 0.348 生成关.
(9)生成关键点:在ratio下输入line ratio=0.348,生成关键点21.
(10)生成线,拾取“15,20”“22,19”“14,17”“11,21”“3,13”“4,16”“5,12”“21,5”“24,18”关键点生成九条线。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线,生成的图形如图所示。
(12)进行编号压缩操作
(13)合并关键点:执行Merge Items命令,弹出图所示。选择Keypoints。
(14)保存几何模型
三、划分有限元网格
(1)连接线过渡圆弧线:执行Lines命令,拾取L22、L8和L28的线,单击OK按钮。
(2)设置单元尺寸:执行MeshTool命令,弹出划单击Set按钮,拾取L1、L3、L15、L13、L19、L25、L26、L10、L27和L31的线,弹出Element Sixes on Picked Lines对话框。输入NDIV=4。
(3)设置全局单元尺寸:MeshTool命令,在SIZE文本框中输入20。
(4)划分网格:生成的有限元网格如图所示:
四、施加载荷并求解
(1)在线上施加面载荷:执行Pressurel On Lines命令,拾取L4、L17、L14、L20、L30、L22、L8、L28、L24、L9和L7的线。弹出对