課程設(shè)計(jì)--高壓容器筒體與封頭連接處應(yīng)力分析

1、高壓容器筒體與封頭連接處應(yīng)力分析1、 問(wèn)題描述 某高壓容器設(shè)計(jì)壓力為P=16MPa，筒體內(nèi)徑為R=900mm，筒體壁厚為T1=100mm，封頭壁厚為T2=48 mm，筒體削邊長(zhǎng)度L=95 mm，試對(duì)該高壓容器筒體與封頭連接區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析，并進(jìn)行優(yōu)化。2、 分析問(wèn)題 由于主要討論封頭與筒體過(guò)渡區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，故忽略封頭上其他結(jié)構(gòu)，建立如下模型，其中筒體長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于邊緣應(yīng)力衰減長(zhǎng)度，此處取用體長(zhǎng)度為L(zhǎng)c=1200 mm。 有限元采用PLANE82單元，并設(shè)定軸對(duì)稱選項(xiàng)。通體下端各節(jié)點(diǎn)約束軸向位移，球殼對(duì)稱面上各節(jié)點(diǎn)約束水平位移，內(nèi)部施加均勻壓力面載荷。3、 分析過(guò)程 1、環(huán)境設(shè)置 （1）以交互模式進(jìn)入

2、ANSYS,在總路徑下建立子路徑，工作文件名取為wb （2）設(shè)置標(biāo)題：執(zhí)行Utility MenuChange Title命令，彈出Change Title命令，輸入wb ，單擊OK按鈕，關(guān)閉對(duì)話框。 （3）初始化設(shè)計(jì)變量：執(zhí)行Utility MenuParamertersScalar Paramerters命令，彈出Scalar Paramerters對(duì)話框，輸入數(shù)據(jù)。 2、定義單元材料 （1）定義單元類型：執(zhí)行Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，彈出Element Type對(duì)話框，單擊Add按鈕，彈出Library of E

3、lement Types 對(duì)話框。 （2）單擊OK，退回至Element Type對(duì)話框。 （3）設(shè)置對(duì)稱軸選項(xiàng)：在Element Type對(duì)話框中，單擊Option按鈕，設(shè)置PLANE82 element type options 選項(xiàng)，在Element behavior K3 下拉框中選擇 Axisymmetric，單擊OK。 （4）定義材料屬性：執(zhí)行Main MenuPreprocessorMaterial Props Material Model命令，彈出如下對(duì)話框：（5）單擊Isotropic項(xiàng)，彈出如下對(duì)話框：3、創(chuàng)建模型（1）生成球殼部分子午面：執(zhí)行Main MenuPrepro

4、cessorModelingCreateAreasCirclePartial Annulus命令，彈出如下對(duì)話框（左），生成圖形（右）：（2）生成筒體子午面：執(zhí)行Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRectangle By 2 Corners命令。 （3）旋轉(zhuǎn)、偏移工作面： 執(zhí)行Utility MenuWorkplaneOffset WP by Increments命令,彈出Offset WP對(duì)話框，在Degrees一欄輸入“0，-90”，單擊Apply按鈕，再在Snaps一欄輸入“0，0，L“，完成偏移，單擊OK。 （4）選擇球殼部分子午面： 執(zhí)行

5、Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框，在下拉框中選擇Area、By Location 、Y coordinates,在Min,Max一欄中輸入“0，R2+T2”, 單擊OK。 (5)用工作面分割球殼子午面： 執(zhí)行Main MenuPreprocessorModeling OperateBooleansDivideArea by Workplane命令，彈出對(duì)話框，單擊“Pick All”按鈕。 （6）刪除球殼應(yīng)刪除的部分： 執(zhí)行Main MenuPreprocessorModelingDeleteArea and Below命令，彈出拾取框，選中編號(hào)為4的面，

6、單擊OK按鈕。 （7）提取定義過(guò)渡段的節(jié)點(diǎn)： 在命令流輸入框中輸入K1=KP(R1,0,0),K2=KP(R1+t1,0,0),分別提取定義過(guò)渡段的節(jié)點(diǎn)1，2。 執(zhí)行Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框，在下拉框中選擇Keypoints、By Location 、Y coordinates,在Min,Max一欄中輸入“L，0”， 單擊OK按鈕。再在命令流輸入框中輸入“*get,k3,kp,num,min”,” *get,k4,kp,num,min,分別提取定義過(guò)渡段的節(jié)點(diǎn)3，4。 （8）全選擇： 執(zhí)行Utility MenuSelectEverything命令

7、。 （9）生成過(guò)渡段子午面： 執(zhí)行Main MenuPreprocessorModeling CreateAreas ArbitraryThrough KPs命令，彈出拾取框，選中8,7,9,10的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，單擊OK，生成：4、網(wǎng)格劃分 （1）剖分與壁厚相關(guān)的線段： 執(zhí)行Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsLinesPicked Lines命令，彈出拾取框，選中編號(hào)為2,5,7,9的4條壁線，單擊Apply按鈕，彈出如下對(duì)話框：（2）剖分筒體內(nèi)壁徑向線段： 重復(fù)（1），選中編號(hào)為8的筒體內(nèi)壁徑向線段，將NDIV設(shè)定為nc，SPACE剖分比例設(shè)定為1/

8、ra，單擊OK。（3）剖分筒體外壁徑向線段： 重復(fù)（1），選中編號(hào)為6的筒體外壁徑向線段，將NDIV設(shè)定為nc，SPACE剖分比例設(shè)定為ra，單擊OK。（4）剖分球殼內(nèi)外壁徑向線段： 重復(fù)（1），選中編號(hào)為9、10的球殼內(nèi)外壁徑向線段，將NDIV設(shè)定為nc，SPACE剖分比例設(shè)定為ra，單擊OK。（5）剖分過(guò)渡段內(nèi)外壁徑向線段： 重復(fù)（1），選中編號(hào)為1、3的過(guò)渡段內(nèi)外壁徑向線段，將NDIV設(shè)定為nc，SPACE剖分比例設(shè)定為1/ra，單擊OK。5、施加載荷與約束（1）選擇筒體低端各節(jié)點(diǎn)：執(zhí)行Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框， （6）全選擇： 執(zhí)行Util

9、ity MenuSelectEverything命令。（7）劃分網(wǎng)格:執(zhí)行Main MenuPreprocessorMeshingMesh AreasMapped3 or 4 side 命令，劃分網(wǎng)格： 5、施加載荷與約束（1）選擇筒體底端各節(jié)點(diǎn)：執(zhí)行Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框，設(shè)定選擇模式Nodes、By Location 、Y coordinates、From Full,在文本框中輸入-LC+L。（2）在所選節(jié)點(diǎn)上施加Y方向約束：執(zhí)行Main MenuPreprocessor Loads Define loadsApplyStructuralDi

10、splacementOn Nodes命令，單擊“Pick All”按鈕。彈出對(duì)話框：（3）選擇X坐標(biāo)的0節(jié)點(diǎn)： 執(zhí)行Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框，設(shè)定選擇模式Nodes、By Location 、X coordinates、From Full,在文本框中輸入0, 單擊OK。 （4）在所選節(jié)點(diǎn)上施加X(jué)方向約束：執(zhí)行Utility MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralDisplacementSymmetry B.C.On Nodes命令，彈出對(duì)話框： （5）單擊OK，生成圖形： （6）選擇內(nèi)壁對(duì)應(yīng)的線段單元： 執(zhí)行

11、Utility Menu SelectEntities命令,彈出對(duì)話框，設(shè)定選擇模式Lines、By Num/Pick、From Full,單擊OK。彈出Select Lines對(duì)話框，選中編號(hào)為3,8,10的三條線段。（7）選擇依附在所選單元上的節(jié)點(diǎn):執(zhí)行Utility Menu SelectEntities命令, 彈出Select Entities對(duì)話框，設(shè)定模式Nodes、Attached to 、Lines all、From Full,單擊OK。（8）在節(jié)點(diǎn)上施加均布?jí)毫Γ簣?zhí)行Utility MenuSolutionDefine loadsApplyStructuralPressure

12、 On Nodes命令,彈出Apply Pressure On Nodes對(duì)話框，單擊“Pick All”按鈕，在Value文本中輸入P，單擊OK。生成圖：6、求解 （1）選擇所有節(jié)點(diǎn)和單元： 執(zhí)行Utility MenuSelectEverything命令。 （2）求解： 執(zhí)行Main Menu Solution SolveCurrent LS命令，單擊開始求解對(duì)話框OK按鈕。7、結(jié)果后處理查看節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖：執(zhí)行Main MenuGeneral PostprocPlot ResultContour PlotNodal Solu命令，彈出Contour Nodal Solu Date對(duì)話框，單擊Stress，單擊Von Mises Stress，顯示結(jié)果：4、計(jì)算結(jié)果與分析（1）由上圖可知最大應(yīng)力發(fā)生在封頭處，最大應(yīng)力為208.798MPa。在題目中筒體材料的屈服應(yīng)力425MPa，材料的安全系數(shù)均為，則：允許的最大應(yīng)力為=425/1.5=283.333 MPa 可見(jiàn)強(qiáng)度滿足要求，但是筒體厚度過(guò)厚，造成了很大的浪費(fèi)。（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化 從分析圖可以看出筒體和封頭過(guò)厚，現(xiàn)優(yōu)化如下取值： 1、同時(shí)減少封頭，筒體厚度 當(dāng)筒體厚度為50mm,封頭厚度為36mm時(shí)，最大應(yīng)力為