基于ANSYS理論的高壓儲氣罐三維靜態(tài)分析報(bào)告

1、. . . 基于ANSYS的高壓儲氣罐三維靜力學(xué)分析羅旭 201220679 動力工程摘要：本文利用ANSYS軟件對儲氣罐進(jìn)行了靜力學(xué)應(yīng)力、應(yīng)變分析，得到了儲氣罐的應(yīng)力、應(yīng)變分布圖，所得結(jié)果與理論計(jì)算值能夠較好的吻合，為高壓儲氣罐的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：儲氣罐；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變1工程背景高壓儲氣罐用以儲存壓縮氣體，保證在正?；驊?yīng)急情況下，提供足量的氣體。高壓儲氣罐具有建造結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、對環(huán)境污染少、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，儲氣罐在我國的應(yīng)用越來越廣泛。為提高儲氣罐的儲存效率，人們總是盡可能提高儲氣罐氣體的壓力和容積，因此對高壓儲氣罐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的計(jì)算分析，具有重要的理論意

2、義和工程實(shí)用價(jià)值。0.060本文以如圖1.1所示儲氣罐作為對象進(jìn)行分析，儲氣罐材料選用16MnR低合金鋼，并采用正火處理。儲氣罐筒體直徑為2米，高4米，壁厚0.04米；封頭為橢圓型封頭，封頭高度0.4米，壁厚0.04米，具體尺寸如圖1所示。儲罐介質(zhì)壓力5.7MPa，工作溫度為20。2.080.0820.44圖1.1 儲氣罐結(jié)構(gòu)簡圖2 理論計(jì)算2.1 筒體應(yīng)力計(jì)算傳統(tǒng)的高壓儲氣罐設(shè)計(jì)是利用薄殼理論進(jìn)行計(jì)算的。根據(jù)該理論，儲氣罐器壁中的應(yīng)力計(jì)算公式為：1t=pc（Di+te）2tet其中：1t校核設(shè)計(jì)溫度下圓筒器壁中的計(jì)算應(yīng)力，MPa；te筒壁有效厚度，m；pc儲氣罐設(shè)計(jì)壓力，MPa；Di筒體徑，

3、m；焊縫系數(shù)；t材料的許用應(yīng)力，MPa。表2.1 焊接接頭系數(shù)值焊縫形式無損探傷要求值焊縫形式無損探傷要求值雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭100%1.00帶墊板的單面焊或?qū)咏宇^100%0.90局部0.85局部0.80其中焊縫系數(shù)可根據(jù)表1選取。假設(shè)儲液罐的所用焊縫接為雙面焊的全焊透對接焊縫，焊縫進(jìn)行100%探傷，則取焊縫系數(shù)=1。由于儲液罐材料選用16MnR低合金鋼，鋼材采用正火處理，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊表32.1-12可得，材料的b=470MPa，s=285MPa，鋼材安全系數(shù)=1.25。則鋼材的許用應(yīng)力st=228MPa。代入數(shù)據(jù)可得，圓筒壁的計(jì)算應(yīng)力為：1t=5.7（1.92+0.04

4、）2×0.04=139.65MPa故1t<st，筒體強(qiáng)度滿足要求。2.2橢球形封頭橢圓形封頭中的應(yīng)力，包括由壓引起的薄膜應(yīng)力和封頭與筒體連接處的不連續(xù)應(yīng)力。按照Huggenberger對薄膜應(yīng)力好和Coatses對不連續(xù)應(yīng)力的分析，橢圓型封頭中的最大應(yīng)力對圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值可表示為（ab）的函數(shù)關(guān)系。我國容器標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式為：2t=pc(0.5t+KDi)2tt其中：2t橢圓封頭中的應(yīng)力，MPa；te筒壁有效厚度，m；pc儲氣罐設(shè)計(jì)壓力，MPa；Di筒體徑，m；焊縫系數(shù)；t材料的許用應(yīng)力，MPa。K應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。當(dāng)ab=1.02.5時(shí)：K=16(2+(Di2hi)2)代入

5、數(shù)據(jù)得：K=162+1.922×0.42=1.293故可得橢圓封頭中的應(yīng)力為：2t=5.7×(0.5×0.04+1.293×1.92)2×0.04×1=178.35MPa故2t<st，封頭強(qiáng)度滿足要求。3 有限元分析3.1建立模型為簡化計(jì)算，建立模型是不考慮筒體、封頭和接管處的焊縫影響，同時(shí)去除支座。簡化后，建立的儲氣罐模型如圖3.1所示。圖3.1 儲氣罐三維模型3.2 單元材料的選取與參數(shù)設(shè)置在本次分析中，儲氣罐的筒體、接管和封頭的單元類型均選用solid 185號8節(jié)點(diǎn)四面體單元。材料屬性均為線彈性材料，材料的彈性模量為2.

6、06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7850Kg/m3。3.3網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分采用6面體映射網(wǎng)格，網(wǎng)格全局尺寸為0.05.劃分網(wǎng)格后的儲氣罐模型如圖3.2所示。圖3.2 網(wǎng)格劃分3.3載荷施加與求解3.3.1施加約束條件儲氣罐底部有裙座支撐，但在實(shí)際建模時(shí)并沒有把裙座剪出來。因此在施加約束時(shí)約束裙座與儲氣罐下封頭相連的部分，即約束下封頭與筒體的共同邊界線。執(zhí)行Main Menu>solution>define loads>apply >structure >displacement>on lines命令，拾取底座地面的所有外邊界線，并約束3個(gè)

7、方向的自由度。3.3.2載荷的施加與求解選取儲氣罐的所有表面，并在表面施加5.7MPa的設(shè)計(jì)壓力。模型約束和載荷的施加如圖3.3所示。當(dāng)完成載荷施加后，進(jìn)入求解器求解。圖3.3 載荷施加3.4 后處理分析進(jìn)入ANSYS的后處理模塊可以得到一系列分析結(jié)果。后處理模塊包括通用后處理模塊和時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊。通用后處理模塊可以用于查看整個(gè)模型或選定的部分模型在某一子步或時(shí)間步的結(jié)果。而時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊用于查看特定點(diǎn)在某一時(shí)間步的結(jié)果。3.4.1查看變形結(jié)果選擇Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令,出現(xiàn)Contour Noda

8、l Solution Date對話框,選擇Nodal Solution/DOF Solution/displacement vector sum,得到位移分布圖,如圖3.4、3.5和3.6所示。根據(jù)分析結(jié)果可知，儲氣罐筒體的變形較小，而上封頭和下封頭的變形較大，最大變形為4.57mm，最大變形位于上封頭的中心位置。3.4 筒體應(yīng)變分布圖18 / 183.5 上封頭應(yīng)變分布圖3.6 下封頭應(yīng)變分布圖3.4.2 查看應(yīng)力分析結(jié)果選擇Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu命令,出現(xiàn)Contour Nodal Solution Date對話框

9、,選擇Nodal Solution/stress，依次選擇XY shear stress、YZ shear stress、XZ shear stress、Von Mises Stress分別得到XY平面、YZ平面、XZ平面的剪應(yīng)力分布圖和Mises應(yīng)力分布圖,如圖3.7、3.8、3.9和3.10所示。（a）筒體（b）封頭圖4.7 XY平面剪力分布圖（a）筒體（b）封頭4.8 YZ平面剪力分布圖（a）筒體（b）封頭4.9 XZ平面剪力分布圖（a）筒體Mises應(yīng)力分布（b）封頭Mises應(yīng)力分布4.10 Mises應(yīng)力分布根據(jù)分析結(jié)結(jié)果，列出分析結(jié)果表，如表3.1所示：表3.1 應(yīng)力分析結(jié)果圖項(xiàng)

10、目最大應(yīng)力值（MPa）最大應(yīng)力位置XY平面剪應(yīng)力筒體96.3均布封頭117封頭左側(cè)YZ平面剪應(yīng)力筒體35.8均布封頭109封頭上側(cè)XZ平面剪應(yīng)力筒體97.8接管周圍封頭74.9封頭左上角和右下角Mises應(yīng)力筒體143均布封頭187封頭頂部接管處422接管與筒體連接處3.4.3結(jié)果分析與討論（1）封頭的XY平面的剪應(yīng)力最大：XY=117MPa；筒體的XZ平面的剪應(yīng)力最大：XZ=117MPa。（2）筒體的Mises應(yīng)力為：11t=143MPa；封頭的Mises應(yīng)力為：21t=187MPa。與理論分析結(jié)果對比：筒體：1=|1t-11t|1t×100%=|139.65-143|139.65

11、×100%=2.40%；封頭：2=|2t-21t|2t×100%=|178.35-187|178.35×100%=4.85%。故ANSYS分析得到的結(jié)果與理論分析的誤差在5%圍，結(jié)果基本吻合，儲氣罐能夠安全使用。（3）在接管處，由于存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大集中應(yīng)力為max=422MPa。因此為保證儲氣罐的安全性，需要在接管處貼焊補(bǔ)強(qiáng)板。4 結(jié)論本文通過利用理論計(jì)算與有限元兩種手段，對高壓儲氣罐進(jìn)行了三維靜力學(xué)分析，并得到以下結(jié)論：（1）理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致，符合儲氣罐的設(shè)計(jì)滿足安全要求；（2）高壓儲氣罐封頭的應(yīng)力和變形比筒體應(yīng)力和變形

12、要大，故在設(shè)計(jì)時(shí)刻適當(dāng)增加封頭的壁厚；（3）在筒體與接管連接處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)在接管處采取補(bǔ)強(qiáng)措施，以減小應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證儲氣罐的使用安全。參考文獻(xiàn)：1蔡毅田,東興馬,秋生.高壓儲氣罐有限元分析J.華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2012-02（1）：4-6；2王立新，馬玉坤等.高壓容器有限元分析J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2009-07（7）：63-64；3王志文，蔡仁良.化工容器設(shè)計(jì)T.化學(xué)工業(yè)。2005.5；4機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.機(jī)械工業(yè).1995-12：第一版。/filname,stressoftank/title,stressoftank/PREP7 ET,1,SOLI

13、D185 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.06e11MPDATA,PRXY,1,0.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7850 K,1,1,2,0, K,2,0,2.4,0,K,3,0.92,2,0, K,4,0,2.32,0, WPSTYLE,1wpoff,0,2,0 CSWPLA,11,1,0.4,1, L, 1, 2 L, 3, 4 LSTR, 2, 4 LSTR, 3, 1 FLST,2,4,4 FITEM,2,3 FITEM,2,1 FITEM,2,4 FITEM,2,2 AL,P51X RECTNG,0.92,1

14、,0,-2, NUMMRG,KP, , , ,LOW FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,360,1, FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,180,1, FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0

15、 WPCSYS,-1,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 CSYS,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 wprot,0,0,90CYL4,0,1.2,0.3,90,0.38,270,1.3 wprot,0,0,-180 CYL4,0,-1.2,0.3,90,0.38,270,1.3CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 FLST,2,2,6,ORDE,2 FITEM,2,6 FITEM,2,

16、-7 VDELE,P51X, , ,1CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 CYL4,0,-1.2,0.3,-90,0.38,90,1.3 FLST,2,6,6,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-6 VOVLAP,P51X FLST,2,4,6,ORDE,3 FITEM,2,7 FITEM,2,-9 FITEM,2,11 VDELE,P51X, , ,1CSYS,0 FLST,3,8,6,ORDE,5 FITEM,3,1 FITEM,3,3 FITEM,3,10 FITEM,3,12 FITEM,3,-16 VSYMM,Z,P51X, , , ,0,0

17、 WPSTYLE,0WPSTYLE,1TYPE, 1 MAT, 1REAL, ESYS, 0 SECNUM, ESIZE,0.05,0, FLST,5,16,6,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-16 CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 APLOT FLST,5,9,5,ORDE,9 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,

18、53 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X ALLSEL,ALL FLST,5,6,5,ORDE,6 FITEM,5,31 FITEM,5,-32 FITEM,5,44 FITEM,5,50 FITEM,5,55 FITEM,5,58 ASEL,S, , ,P51X FLST,5,4,6,ORDE,4 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 FITEM,5,10 FITEM,5,12 VSEL,S, , ,P51X FLST,5,6,6,ORDE,6 FITEM,5,5 FITEM,5,-6 FITEM,5,8

19、 FITEM,5,10 FITEM,5,12 FITEM,5,14 VSEL,S, , ,P51X VPLOT FLST,5,20,5,ORDE,20 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,25 FITEM,5,32 FITEM,5,36 FITEM,5,38 FITEM,5,40 FITEM,5,-41 FITEM,5,45 FITEM,5,48 FITEM,5,52 FITEM,5,55 FITEM,5,58 FITEM,5,63 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL

20、,S, , ,P51X APLOTFLST,5,20,5,ORDE,20 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,25 FITEM,5,32 FITEM,5,36 FITEM,5,38 FITEM,5,40 FITEM,5,-41 FITEM,5,44 FITEM,5,-45 FITEM,5,48 FITEM,5,52 FITEM,5,55 FITEM,5,58 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X CM,a,AREA ALLSEL,ALL FINISH ANTYPE,0SAVE FINISH SAVE/SOLU FLST,2,2,4,ORDE,2 FITEM,2,22 FITEM,2,38DL,P51X, ,A