压力容器ansys有限元分析设计实例

ANSYS应力分析报告StressAnalysisReport学生姓名学号任课教师导师计算机辅助工程分析报告1目录一.设计分析依据.............................................................21.1设计参数............................................................................................................................21.2计算及评定条件................................................................................................................2二.结构壁厚计算.............................................................3三.结构有限元分析...........................................................43.1有限元模型........................................................................................................................53.2单元选择............................................................................................................................53.3边界条件............................................................................................................................6四.应力分析及评定...........................................................74.1应力分析............................................................................................................................74.2应力强度校核....................................................................................................................84.3疲劳分析校核...................................................................................................................11五.分析结论................................................................11附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(A)............................12附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(B)............................13附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(C)............................14附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(D)............................16附录5设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(E)............................17附录6设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(F)............................19附录7设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(G)............................20附录8设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(H)............................21计算机辅助工程分析报告2一.设计分析依据（1）《压力容器安全技术监察规程》（2）JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005确认版）1.1设计参数表1设备基本设计参数正常工作压力/MPa（g）0.25~2.7最高工作压力/MPa（g）2.7设计压力/MPa（g）2.97工作温度/℃250设计温度/℃270筒体材料Q345R封头材料Q345R介质CO、蒸汽腐蚀裕量C2/mm1.5焊缝接头系数1.0循环次数/10小时1Di4000Di11500L16000L22500L31500L42500接管aø508×16接管bø168×8接管cø508×14接管dØ268×12接管eØ219×251.2计算及评定条件(1)静强度计算条件表2设备载荷参数设计载荷工况工作载荷工况气压实验工况计算机辅助工程分析报告3设计压力/MPa2.97工作压力/MPa0.25~2.7试验压力/MPa-设计温度/℃270工作温度/℃250试验温度/℃-注：在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本报告中分别选用设计载荷进行进行计算，故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。(2)材料性能参数材料性能参数见表3，其中弹性模量取自JB4732-95表G-5，泊松比根据JB4732-95的公式（5-1）计算得到，设计应力强度分别根据JB4732-95的表6-2和表6-6确定。表3材料性能参数性能温度270℃材料名称厚度mm设计应力强度MPa弹性模量MPa泊松比Q345R钢板/Sm=134.8Et=1.884×105μ＝0.316MnII钢管≤300Sm=144.8Et=1.884×105(3)疲劳计算条件此设备接管a、c上存在弯矩，接管载荷数据如表4所示。表4接管载荷数据表载荷接管acØ508×22Ø508×20纵向弯矩ML（Nmm）9×1079×107二.结构壁厚计算按照静载荷条件，根据JB4732-95第七章（公式与图号均为标准中的编号）确定设备各元件壁厚，因介质密度较小，不考虑介质静压，同时忽略设备自重。1.筒体厚度因Pc=2.97MPa0.4KSm=0.4×1×134.8=53.92MPa，故选用JB4732-95公式（7-1）计算筒体厚度：计算厚度：cmicPKSDP2=97.28.13412400097.2=44.56mm计算机辅助工程分析报告4设计厚度：12CCd=44.56+1.5+0.3=46.36mm名义厚度：n54mm有效厚度：12CCne=54-1.5-0.3=52.2mm2.椭圆形封头厚度标准椭圆封头，厚度根据JB4732-95图7-1中r/Dr=0.17的曲线确定。8.134197.2mcKSP=0.022033，查表得：iR=0.0165计算厚度：0165.020000165.0iR33mm设计厚度：12CCd=33+1.5+0.3=34.8mm名义厚度：n54有效厚度：12CCne=54-1.5-0.3=52.2mm考虑到封头的厚度减薄量13%，有限元计算厚度为3.05.1%)131(54=45.18mm3.开孔接管接管开孔采用16MnⅡ厚壁管，结构见总图及零件图，各开孔厚壁管有效尺寸如表5所示：表5接管有效尺寸接管aø508×14.5接管bø168×6.5接管cø508×12.5接管dØ268×10.5接管eØ219×23.5三.结构有限元分析按照JB4732-1995进行分析，整个计算采用ANSYS11.0软件，建立有限元模型，对设备进行强度应力分析。计算机辅助工程分析报告53.1有限元模型(1)上封头部分根据上封头的结构特点和载荷特性，建立了1/2上封头的力学模型。在封头与筒体连接处，存在不连续应力，但其值较小，对整个封头及其接管的应力分布影响较小，故予以忽略。上封头及其接管的三维实体模型如图1所示：图1上部封头三维实体模型(2)下封头部分根据下封头的结构特点和载荷特性，建立了1/2上封头的力学模型。如图2所示：图2下部封头三维实体模型3.2单元选择在结构的应力分析中，采用ANSYS11.0软件提供的Solid95单元进行六面体网格划分。图3、4为上、下部封头的网格划分模型。计算机辅助工程分析报告6图2上部封头的网格划分模型图3下部封头的网格划分模型3.3边界条件(1)位移边界条件对上、下部封头模型的筒节的外端面Z方向进行约束，同时对模型的对称面施加对称约束。为了限制模型的刚体位移，对模型筒节的外端面上，X＝0处对称两点约束的X方向进行约束，δX＝0；Y＝0处对称两点约束的Y方向进行约束，δY＝0。(2)力的边界条件在设备的筒节内壁、各接管的内壁以及封头内壁施加内压载荷，在补强管的外端面上施加等效平衡面载荷。因是1/2模型，则接管上的弯矩为一半M=4.5e7N.mm。平衡载荷计算公式为：计算机辅助工程分析报告720/1iPFDD设计工况接管平衡面载荷大小见表6。表6设计工况下接管平衡面载荷（MPa）接管设计压力abdeØ508×16Ø168×8Ø268×12Ø219×25MPa-21.37-13.40-14.39-4.37设计工况（2.97MPa）载荷作用下，下部封头部分的边界条件施加情况如图4所示。图4上部封头的边界条件加载图四.应力分析及评定4.1应力分析设计工况（2.97MPa）载荷作用下，上、下部封头的应力强度分布如图5、6所示。计算机辅助工程分析报告8图5上部封头的应力强度分布图6下部封头的应力强度分布4.2应力强度校核对设计载荷作用下进行有限元分析，并对分析结果进行应力强度评定。评定的依据为计算机辅助工程分析报告9JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》。应力线性化路径的选择原则为：(1)通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；(2)对于相对高应力强度区，沿壁厚方向设定路径。设计工况（2.97MPa）下的评定线性化路径见图7~9，线性化结果见附录1~8，具体评定如下表7所示：表7应力强度评定表应力强度及组合应力强度应力强度计算值应力强度许用极限评定结果路径线性化结果一次局部薄膜应力强度SⅡ142.6MPa1.5Sm＝202.2MPa通过图7路径A附录1一次＋二次应力强度SⅣ185.8MPa3Sm=404.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ129.8MPa1.5Sm=202.2MPa通过图7路径B附录2一次＋二次应力强度SⅣ172.8MPa3Sm=404.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ41.99MPa1.5Sm=202.2MPa通过图7路径C附录3一次＋二次应力强度SⅣ62.46MPa3Sm=404.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ114.1MPa1.5Sm＝217.2MPa通过图7路径D附录4一次＋二次应力强度SⅣ123.9MPa3Sm=434.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ116.1MPa1.5Sm=202.2MPa通过图8路径E附录5一次＋二次应力强度SⅣ252.8MPa3Sm=404.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ145.9MPa1.5Sm=202.2MPa通过图8路径F附录6一次＋二次应力强度SⅣ383.3MPa3Sm=404.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ163.6MPa1.5Sm＝217.2MPa通过图8路径G附录7一次＋二次应力强度SⅣ180.6MPa3Sm=434.4MPa一次局部薄膜应力强度SⅡ74.32MPa1