压力容器有限元分析

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：

壁厚34

圆弧面直径18

封头厚15

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

1.筒体厚度

计算厚度： c

m i

c P KS D P -=

2δ

设计厚度： 12C C d ++=δδ 名义厚度：=n δ34mm 有效厚度：12C C n e --=δδ 2.椭圆形封头厚度 标准椭圆封头

计算厚度： 0165.0⨯=i R δ 设计厚度： 12C C d ++=δδ 名义厚度：=n δ18mm 有效厚度：12C C n e --=δδ

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

2.01e11，prxy为0.3

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：