课程设计 压力容器.docx
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课程设计压力容器
机电工程学院
有限元原理及工程计算
课程设计说明书
指导老师:
专业名称:
理论与应用力学
学号:
设计作者:
提交时间:
2015/6/24
一、设计任务书
1.1题目
1.2结构图和计算参数
(1、构件的几何形状和尺寸;2、材料及性能;3、约束和边界条件;4、载荷)
1.3计算内容
1)构件的几何变形计算;
2)构件的各方向的位移计算;
3)构件的应力分布场计算;
1.4计算要求
1)计算说明书应包括主要的计算步骤,计算公式、计算简图均应列入,并尽量详细描述计算过程;
2)计算说明书应书写清楚,字体工整,图表清晰规范;
3)在规定时间内完成计算并提交计算说明书。
二、课程设计指导书
2.1目的要求
本课程设计是有限元理论及其应用的重要实践环节之一,是一门了解有限元理论、应用有限元方法对工程问题进行计算的实战性很强的课程。
通过本课程的学习,熟练掌握通用有限元软件ANSYS对工程问题的计算全过程,进一步综合和深化对有限元以及力学理论中基本理论和基本概念的理解。
同时初步培养学生具备利用有限元方法对工程应用问题进行基本建模、加载、计算和结果分析的能力,使学生在计算、分析解决实践工程力学问题的能力有较大的提高,为学生在今后的毕业设计和进入社会工作后对工程问题的力学分析打下扎实的基础。
2.2主要计算步骤
1)明确研究对象,合理简化研究对象的力学分析。
a、对实际构件进行合理简化,确定主要研究对象;
b、对载荷和约束进行合理简化处理;
c、画出简化结构分析图;
d、了解构件的材料特性和几何特性。
2)启动ANSYA分析软件,设定ANSYS分析环境;
a、设置项目工程名;
b、设置计算过程、结果存取工作目录;
3)选择适当分析单元模型和材料模型,输入相关材料模型参数。
a、选择适当的单元模型,设置相关截面参数、实常数等;
b、选择适当的材料模型,设置材料模型的参数。
4)创建有限元模型
a、构思建模步骤,创建模型;
b、应用布尔运算对模型进行整合;
c、控制和合并重合单元、节点等。
5)网格划分
a、确定每部分构件的材料、单元;
b、选择网格划分方式;
c、调整已划分网格;
6)加载和计算
a、设置载荷:
集中力、分布力等;
b、设置约束:
位移、对称面等;
c、设置计算参数并进行计算;
7)后处理
a、取后处理构件变形对比图;
b、取后处理构件节点位移图;
c、取后处理构件节点应力图,包括:
第一主应力图、应力强度图、mises等效应力等。
2.3计算结果分析
利用ANSYS后处理得到构件的变形图、位移图和应力图,针对这些图,分析最大应力发生点、最大变形发生点,分析该点的危险性,提出一个解决方案并进行计算对比。
2.4计算说明书内容
计算说明书是学生提交计算结果及其分析的重要报告,其主要内容包括下面几个方面:
1)构件结构图
2)材料和单元选择
3)有限元建模
4)网格划分
5)加载
6)计算和后处理
7)结果分析
8)ADPL程序
三、计算说明书
3.1构件结构图
图3.1.1构件结构图
图中对象的下表面对Y方向约束,侧边对称面为对称约束,内壁承受0.58Mpa的内压。
3.2材料和单元选择
表3.2.1构件材料明细表
材料
弹性模量/Mpa
泊松比
屈服强度/Mpa
筒体
Q245R
2.07E5
0.3
245
封头
Q245R
2.07E5
0.3
245
开口接管
20#
2.06E5
0.3
245
由上表可知,该模型有两种材料组成,但力学性能相差不大,可简化为同种材料,取弹性模量为2e5Mpa,泊松比为0.3,选用常用的solid185单元。
3.3实体(几何)建模
1、建模的基本思路。
采用自底向上的建模,即先建立关键点,通过关键点建立线,由线生成面再生成体。
2、描述对工程实际对象简化模拟方法,包括构件的几何简化和约束、载荷的处理方式等。
因为压力容器为轴对称结构,取模型的一半进行建模,在对称面施加对称约束。
3、建模后的模型图。
图3.3.1等轴侧立体图
图3.3.2左视图
图3.3.3俯视图
3.4网格划分与有限元建模
采用扫掠划分,划分后的模型如下:
图3.4.1模型的网格划分
3.5加载
在模型的对称面施加对称约束,上下表面y方向上的自由度为0,内壁施加0.58Mpa的压力。
图3.5.1边界条件加载图
3.6计算和后处理
图3.6.1模型总位移图
图3.6.2第一主应力云图
根据GB150设计标准,压力容器设计时采用最大拉压应力准则进行校核。
由无力矩理论可知,此时薄壳受到的最大拉应力即是第一主应力。
由(图3.6.2)第一主应力分布图可以得到最大拉应力为50.3MPa小于许用应力133MPa,所以该结构安全。
图
3.6.3应力强度云图
由(图3.6.3)可得该结构所受到的最大应力强度为59.6127MPa小于R245钢屈服强度245MPa,该结构安全。
图3.6.4Mises等效应力云图
根据畸变能密度准则(即misses等效应力),由(图3.6.5)可知该结构的最大等效应力为56.52MPa,小于许用应力133MPa,所以该结构安全
分类应力校核:
如下图定义三个路径pathA,pathB,pathC
B
C
A
图3.6.5强度评定路径设定(A,B,C)
分别显示ABC路径上的应力线性化结果,如下图:
图3.6.6PathA上的应力分布图
图3.6.7PathB上的应力分布图
图3.6.8PathC上的应力分布图
7结果分析
Q245R的力学性能如下:
表7.1Q245R的力学性能
钢板厚度/mm
抗拉强度R/(N/mm2)
屈服强度R/(N/mm2)
伸长率A/%
温度/℃
冲击吸收能量KV2/J
180°弯曲试验弯曲直径(b≥35mm)
3-16
400-520
≥245
≥25
0
≥31
d=1.5a
>16-36
400-520
≥235
≥25
0
≥31
d=1.5a
>36-60
400-520
≥225
≥25
0
≥31
d=1.5a
>60-100
390-510
≥205
≥24
0
≥31
d=2a
>100-150
380-500
≥185
≥24
0
≥31
d=2a
强度分析:
由表可知,当壁厚为14mm时,其屈服强度大于245Mpa,经过ansys分析结果,容器的应力强度最大为56.86Mpa,米塞斯等效应力最大为56.52Mpa,远小于其屈服强度245Mpa,初步校核其强度是可靠的。
对应力集中处进行分类应力校核:
分析设计依据:
JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》(2005确认版)
表7.2构件的工况表
最高工作压力/Mpa
0.4
设计压力/Mpa
0.58
最高工作温度/℃
50
设计温度/℃
70
筒体材料
Q245R
封头材料
Q245R
开口接管
20#
设计应力强度由JB-4732-95的表6-2查得(Q245R即为旧牌号中的20R):
表7.3Q256R的设计应力强度
钢号
钢板
标准
使用状态
板厚
mm
常温强度指标
在下列温度()下的设计应力强度/Mpa
Rm,MPa
Rel,MPa
≤20
100
200
250
300
375
碳素钢钢板
20R
GB6654
热轧正火
6~16
400
245
154
147
131
117
108
95
>16~25
400
235
154
140
124
111
102
89
正火
>25~36
400
235
154
133
124
111
102
89
>36~60
400
225
150
127
119
107
98
85
>60~100
400
205
137
117
109
98
90
79
在设计温度为70摄氏度下,设计应力强度Sm=147Mpa
Pl限制值为1.5Sm=220.5Mpa
Pl+Pq限制值为1.5Sm=220.5Mpa
表7.4应力强度分解评定结果
Path
A
B
C
薄膜应力Pl/Mpa
40.99
49.82
40.99
弯曲应力Pq/Mpa
8.596
11.55
8.586
Pl+Pq/Mpa
47.82
59.76
47.82
与Pl限制值比较
未超出
未超出
未超出
与Pl+Pq限制值比较
未超出
未超出
未超出
由以上分析可知,该结构是安全的。
附录
附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(A)
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-1.0832.57839.21-1.631-1.370-0.5503
S1S2S3SINTSEQV
39.273.166-1.72940.9938.78
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-4.9960.9062-7.6530.0000.0000.000
C-1.871-0.1367E-01-0.2002E-110.0000.0000.000
O1.254-0.93367.6530.0000.0000.000
S1S2S3SINTSEQV
I0.9062-4.996-7.6538.5597.588
C0.000-0.1367E-01-1.8711.8711.864
O7.6531.254-0.93368.5867.729
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-6.0793.48431.56-1.631-1.370-0.5503
C-2.9542.56439.21-1.631-1.370-0.5503
O0.17041.64446.86-1.631-1.370-0.5503
S1S2S3SINTSEQV
I31.633.698-6.36537.9934.09
C39.272.972-3.41942.6839.87
O46.912.680-0.912547.8246.13
附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(B)
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
0.7772E-011.73448.46-2.029-1.476-0.4047
S1S2S3SINTSEQV
48.513.076-1.31349.8247.78
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I0.41205.561-5.8160.0000.0000.000
C-1.085-0.8390E-01-0.1473E-110.0000.0000.000
O-2.582-5.7295.8160.0000.0000.000
S1S2S3SINTSEQV
I5.5610.4120-5.81611.389.868
C0.000-0.8390E-01-1.0851.0851.045
O5.816-2.582-5.72911.5510.34
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I0.48977.29642.65-2.029-1.476-0.4047
C-1.0071.65148.46-2.029-1.476-0.4047
O-2.504-3.99554.28-2.029-1.476-0.4047
S1S2S3SINTSEQV
I42.717.805-0.8379E-0142.7939.45
C48.512.721-2.12650.6448.40
O54.32-1.092-5.44659.7657.71
附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(C)
**MEMBRANE**
SXSYSZSXYSYZSXZ
-1.0832.57839.21-1.631-1.370-0.5503
S1S2S3SINTSEQV
39.273.166-1.72940.9938.78
**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-4.9960.9062-7.6530.0000.0000.000
C-1.871-0.1367E-01-0.2002E-110.0000.0000.000
O1.254-0.93367.6530.0000.0000.000
S1S2S3SINTSEQV
I0.9062-4.996-7.6538.5597.588
C0.000-0.1367E-01-1.8711.8711.864
O7.6531.254-0.93368.5867.729
**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE
SXSYSZSXYSYZSXZ
I-6.0793.48431.56-1.631-1.370-0.5503
C-2.9542.56439.21-1.631-1.370-0.5503
O0.17041.64446.86-1.631-1.370-0.5503
S1S2S3SINTSEQV
I31.633.698-6.36537.9934.09
C39.272.972-3.41942.6839.87
O46.912.680-0.912547.8246.13
附录4APDL程序
/PREP7
ET,1,SOLID185
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,2e5
MPDATA,PRXY,1,,0.3
CSWPLA,11,1,408/814,1,
K,1,-814,,,
K,2,814,,,
l,1,2
CSWPLA,11,1,394/800,1,
K,3,-800,,,
K,4,800,,,
l,3,4
CSYS,0
K,5,-800,-125,,
K,6,-814,-125,,
LSTR,3,5
LSTR,5,6
LSTR,6,1
K,7,-164,600,,
K,8,-164,,,
K,9,-150,,,
K,10,-150,600,,
LSTR,9,10
LSTR,7,8
LSBL,1,7
LSBL,2,6
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,7
FITEM,2,9
LDELE,P51X,,,1
K,18,-150,675,,
K,19,-164,675,,
LSTR,7,18
LSTR,18,19
LSTR,19,11
FLST,2,3,4,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-3
LCOMB,P51X,,0
FLST,2,3,4,ORDE,3
FITEM,2,5
FITEM,2,7
FITEM,2,-8
LCOMB,P51X,,0
FLST,2,4,4
FITEM,2,1
FITEM,2,6
FITEM,2,5
FITEM,2,4
AL,P51X
K,30,,,,
K,31,,300,,
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,1
FLST,8,2,3
FITEM,8,30
FITEM,8,31
VROTAT,P51X,,,,,,P51X,,180,,
FLST,2,2,6,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-2
VADD,P51X
k,32,-164,800,0
k,33,-164,0,0
l,32,33
FLST,2,1,4,ORDE,1
FITEM,2,1
FLST,8,2,3
FITEM,8,30
FITEM,8,31
AROTAT,P51X,,,,,,P51X,,180,,
FLST,3,2,5,ORDE,2
FITEM,3,2
FITEM,3,4
VSBA,3,P51X
wpro,,90.000000,
VSBW,1
FLST,2,3,6,ORDE,2
FITEM,2,2
FITEM,2,-4
VGLUE,P51X
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,32
AESIZE,P51X,5,
FLST,5,2,4,ORDE,2
FITEM,5,24
FITEM,5,50
CM,_Y,LINE
LSEL,,,,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
LESIZE,_Y1,20,,,,,,,1
FLST,5,2,4,ORDE,2
FITEM,5,28
FITEM,5,35
CM,_Y,LINE
LSEL,,,,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
LESIZE,_Y1,10,,,,,,,1
CM,_Y,VOLU
VSEL,,,,4
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'VOLU'
CMSEL,S,_Y
VSWEEP,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,11
AESIZE,P51X,5,
CM,_Y,VOLU
VSEL,,,,3
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'VOLU'
CMSEL,S,_Y
VSWEEP,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
FLST,2,1,5,ORDE,1
FITEM,2,26
AESIZE,P51X,5,
CM,_Y,VOLU
VSEL,,,,2
CM,_Y1,VOLU
CHKMSH,'VOLU'
CMSEL,S,_Y
VSWEEP,_Y1
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2
FINISH
/SOL
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,3
FITEM,2,8
/GO
DA,P51X,UY,
FLST,2,6,5,ORDE,6
FITEM,2,1
FITEM,2,11
FITEM,2,25
FITEM,2,-26
FITEM,2,28
FITEM,2,32
DA,P51X,SYMM
FLST,2,8,5,ORDE,8
FITEM,2,4
FITEM,2,12
FITEM,2,-13
FITEM,2,16
FITEM,2,23
FITEM,2,-24
FITEM,2,29
FITEM,2,33
/GO
SFA,P51X,1,PRES,0.58
/STATUS,SOLU
SOLVE
FINISH
参考文献
1.JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》(2005确认版)
2.GB150《压力容器》(标准文本)
3.范钦珊《材料力学》第二版高等教育出版社2005.7
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