基于ansys的壓力容器應力分析

基于ansys的壓力容器應力分析

0彈性失效準則壓力容器是廣泛應用于各種行業(yè)的壓力容器設備。目前壓力容器的設計可分為規(guī)則設計(DesignbyRule)和分析設計(DesignbyAnalysis)。規(guī)則設計依據標準GT3150《鋼制壓力容器》,它是基于“彈性失效”準則,結合經典力學理論和經驗公式對壓力容器的設計做一些規(guī)定,是一種基于經驗的設計方法,得出的結構強度結果比較保守,這就限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用。分析設計依據標準JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》,它是基于“塑性失效”與“彈塑性失效”準則,其理論基礎是板殼力學、彈性與塑性理論及有限元法,是根據具體工況,對容器各部位進行詳細地應力計算與分析,在不降低設備安全性的前提下選取相對較低的安全系數,從而降低了結構的厚度,使材料得到了有效的利用。1采用后處理器interpersonalANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,是典型的CAE(ComputerAidEngineering)軟件。其前處理器(preprocessor)能夠建立被分析對象的幾何模型,并進行有限元網格自動劃分以及各種材料屬性和求解單元的設置;強大的求解器(solution)可對各種加載進行分步求解;功能豐富的后處理器(generalpostproc)提供了對結果進行有效分析的工具。大大地簡化了設計人員在有限元分析完成后的數據處理和結果分析,縮短了設計周期。本文利用有限元分析軟件ANSYS對壓力容器進行應力分析。2數值模型的建立本次作為分析對象的壓力容器總長L1=2445mm,筒體內徑d1=500mm,容器壁厚δ=10mm,進氣口內徑d2=200mm,材料為Q235-A,彈性模量E=206GPa,泊松比μ=0.28,σs=235MPa,設計壓力p=1.3MPa。具體的實體模型生成方法有2種:(1)利用AN-SYS軟件本身的建模功能,在ANSYS工作環(huán)境中直接創(chuàng)建實體模型。在這方面,ANSYS軟件提供了非常方便的菜單功能,即只需用鼠標單擊菜單中的選項,就能調出所需要的命令,并且能從圖形窗口直接觀察創(chuàng)建實體的建模效果。這種方法建立的模型往往是比較簡單,且實體形狀較為規(guī)則。(2)若形狀為比較復雜的曲面模型、結構模型可以通過ANSYS的實體模型導入接口傳入模型。ANSYS設置了與多種CAD、CAM、CAE軟件的數據傳輸接口,如PROE,CATIA,UG等,通過這個接口,可以把其他造型軟件開發(fā)的較為復雜的實體模型直接傳入ANSYS中(從協(xié)同工作的角度來看,這樣的接口也為產品設計開發(fā)過程中引入并行工程、逆向工程等高效設計開發(fā)方法提供了有益的保障)。由于本模型形狀比較簡單,所以運用交互模式在ANSYS軟件中直接生成實體模型。ANSYS軟件提供了2種實體建模的方法,即自底向上的建模方法和自頂而下的建模方法。自底向上的建模方法是先創(chuàng)建關鍵點,然后依次創(chuàng)建相關的線、面和體等圖元。自頂而下的建模方法可以直接創(chuàng)建高級圖元,如球、棱柱等三維實體,通常稱之為幾何體素。一旦用戶定義了一個體素,程序會自動定義相關的面、線和關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型,如二維的圓和矩形以及三維的立方體、球、錐和圓柱等。同時在ANSYS建模過程中,自底向上和自頂而下的建模方法還可以自由組合使用。本模型采用的是自頂而下的實體建模的方法,基于殼體的幾何軸對稱性,且容器內壓強處處相等,在分析中,取其一半模型進行有限元分析,在邊界上限制某一方向的位移,從而生成如圖1的模型。(2)網格劃分在建模過程完成后,接下來要進行網格劃分,相當于將整個實體分解成無數個不同位置、不同形狀的“微元”,這些“微元”也就成了進行分析過程中的無數個“傳感器”。通常網格劃分有2種類型,即自由網格劃分和映射網格劃分。對于自由網格劃分,沒有單元形狀的限制,網格也不遵循任何的模式,當增加網格數量時,更適用于了解與分析復雜形狀局部的特定部位的應力應變情況,能夠更好地進行諸如“接縫”、“拐角”、“過渡”等部位的應變量化研究。映射網格的劃分則主要適合于規(guī)則的面或體,單元成行并有明顯的規(guī)則形狀。本文采用了自由網格劃分,網格單元采用8節(jié)點六面體的SOLID82,它是結構分析中常用的三維實體單元。共有14489個單元,29450個節(jié)點。(3)施加邊界條件并求解有限元分析的目的是了解模型對外部施加載荷的響應。正確地識別和定義載荷,并有效地實現仿真加載,是運用有限元分析工具的關鍵一步。在本例中,模型受到的載荷有內壓、外壓以及重力和支撐力。考慮到重力和外壓相對內壓的影響而言數量較小,可以忽略。因此,只對內壁施加面載荷p=1.3MPa,接下來進入求解處理器對模型求解,獲得應力云圖,如圖2所示。圖中應力大小分別采用不同顏色表示,其中紅色表示應力值最大,藍色表示應力值最小,從圖中可看出應力最大出現在筒體與進氣管的接縫處,為42.59MPa。(4)結果分析圖2反映了筒壁受內壓作用后結構模型的應力情況,從圖中可以看出:(1)由于內壓作用,筒壁向外膨脹,模型為軸對稱圖形,所受的內壓是均勻的,膨脹也是均勻的,與預期相符;(2)筒壁沿軸線方向應力分布是不均勻的,應力最大出現在筒體與進氣管的接縫處。這是由于進氣管處的模型尺寸發(fā)生了較大變化,導致應力集中,所以仿真結果是合理的;(3)通過對筒壁進行強度校核表明,當采用Q235-A材料,安全系數取2.5時,壓力容器的最大應力值遠遠小于許用應力,表明殼體的承壓空間還是有一定的提升空間。3基于anasas軟件的壓力容器結構分析通過以上對壓力容器