课程设计高压容器筒体与封头连接处应力分析.docx
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课程设计高压容器筒体与封头连接处应力分析
课程设计--高压容器筒体与封头连接处应力分析
高压容器筒体与封头连接处应力分析
1、问题描述
某高压容器设计压力为P=16MPa,筒体内径为R=900mm,筒体壁厚为T1=100mm,封头壁厚为T2=48mm,筒体削边长度L=95mm,试对该高压容器筒体与封头连接区进行应力分析,并进行优化。
2、分析问题
由于主要讨论封头与筒体过渡区的应力状态,故忽略封头上其他结构,建立如下模型,其中筒体长度远大于边缘应力衰减长度,此处取用体长度为Lc=1200mm。
有限元采用PLANE82单元,并设定轴对称选项。
通体下端各节点约束轴向位移,球壳对称面上各节点约束水平位移,内部施加均匀压力面载荷。
3、分析过程
1、环境设置
(1)以交互模式进入ANSYS,在总路径下建立子路径,工作文件名取为wb
(2)设置标题:
执行UtilityMenu>ChangeTitle命令,弹出ChangeTitle命令,输入wb,单击OK按钮,关闭对话框。
(3)初始化设计变量:
执行UtilityMenu>Paramerters>ScalarParamerters命令,弹出ScalarParamerters对话框,输入数据。
2、定义单元材料
(1)定义单元类型:
执行MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令,弹出ElementType对话框,单击Add按钮,弹出LibraryofElementTypes对话框。
(2)单击OK,退回至ElementType对话框。
(3)设置对称轴选项:
在ElementType对话框中,单击Option按钮,设置PLANE82elementtypeoptions选项,在ElementbehaviorK3下拉框中选择Axisymmetric,单击OK。
(4)定义材料属性:
执行MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModel命令,弹出如下对话框:
(5)单击Isotropic项,弹出如下对话框:
3、创建模型
(1)生成球壳部分子午面:
执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>PartialAnnulus命令,弹出如下对话框(左),生成图形(右):
(2)生成筒体子午面:
执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By2Corners命令。
(3)旋转、偏移工作面:
执行UtilityMenu>Workplane>OffsetWPbyIncrements命令,弹出OffsetWP对话框,在Degrees一栏输入“0,-90”,单击Apply按钮,再在Snaps一栏输入“0,0,L“,完成偏移,单击OK。
(4)选择球壳部分子午面:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,在下拉框中选择Area、ByLocation、Ycoordinates,在Min,Max一栏中输入“0,R2+T2”,单击OK。
(5)用工作面分割球壳子午面:
执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>AreabyWorkplane命令,弹出对话框,单击“PickAll”按钮。
(6)删除球壳应删除的部分:
执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>AreaandBelow命令,弹出拾取框,选中编号为4的面,单击OK按钮。
(7)提取定义过渡段的节点:
在命令流输入框中输入K1=KP(R1,0,0),K2=KP(R1+t1,0,0),分别提取定义过渡段的节点1,2。
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,在下拉框中选择Keypoints、ByLocation、Ycoordinates,在Min,Max一栏中输入“L,0”,单击OK按钮。
再在命令流输入框中输入“*get,k3,kp,,num,min”,”*get,k4,kp,,num,min,分别提取定义过渡段的节点3,4。
(8)全选择:
执行UtilityMenu>Select>Everything命令。
(9)生成过渡段子午面:
执行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>AreasArbitrary>ThroughKPs命令,弹出拾取框,选中8,7,9,10的四个关键点,单击OK,生成:
4、网格划分
(1)剖分与壁厚相关的线段:
执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>Lines>PickedLines命令,弹出拾取框,选中编号为2,5,7,9的4条壁线,单击Apply按钮,弹出如下对话框:
(2)剖分筒体内壁径向线段:
重复
(1),选中编号为8的筒体内壁径向线段,将NDIV设定为nc,SPACE剖分比例设定为1/ra,单击OK。
(3)剖分筒体外壁径向线段:
重复
(1),选中编号为6的筒体外壁径向线段,将NDIV设定为nc,SPACE剖分比例设定为ra,单击OK。
(4)剖分球壳内外壁径向线段:
重复
(1),选中编号为9、10的球壳内外壁径向线段,将NDIV设定为nc,SPACE剖分比例设定为ra,单击OK。
(5)剖分过渡段内外壁径向线段:
重复
(1),选中编号为1、3的过渡段内外壁径向线段,将NDIV设定为nc,SPACE剖分比例设定为1/ra,单击OK。
5、施加载荷与约束
(1)选择筒体低端各节点:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,
(6)全选择:
执行UtilityMenu>Select>Everything命令。
(7)划分网格:
执行MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3or4side命令,划分网格:
5、施加载荷与约束
(1)选择筒体底端各节点:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,设定选择模式Nodes、ByLocation、Ycoordinates、FromFull,在文本框中输入-LC+L。
(2)在所选节点上施加Y方向约束:
执行MainMenu>Preprocessor>Loads>Defineloads>Apply>Structural>
Displacement>OnNodes命令,单击“PickAll”按钮。
弹出对话框:
(3)选择X坐标的0节点:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,设定选择模式Nodes、ByLocation、Xcoordinates、FromFull,在文本框中输入0,单击OK。
(4)在所选节点上施加X方向约束:
执行UtilityMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Displacement>
SymmetryB.C.>OnNodes命令,弹出对话框:
(5)单击OK,生成图形:
(6)选择内壁对应的线段单元:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出对话框,设定选择模式Lines、ByNum/Pick、FromFull,单击OK。
弹出SelectLines对话框,选中编号为3,8,10的三条线段。
(7)选择依附在所选单元上的节点:
执行UtilityMenu>Select>Entities命令,弹出SelectEntities对话框,设定模式Nodes、Attachedto、Linesall、FromFull,单击OK。
(8)在节点上施加均布压力:
执行UtilityMenu>Solution>Defineloads>Apply>Structural>Pressure>OnNodes命令,弹出ApplyPressureOnNodes对话框,单击“PickAll”按钮,在Value文本中输入P,单击OK。
生成图:
6、求解
(1)选择所有节点和单元:
执行UtilityMenu>Select>Everything命令。
(2)求解:
执行MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS命令,单击开始求解对话框OK按钮。
7、结果后处理
查看节点应力云图:
执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot>NodalSolu命令,弹出ContourNodalSoluDate对话框,单击Stress,单击VonMisesStress,显示结果:
4、计算结果与分析
(1)由上图可知最大应力发生在封头处,最大应力为208.798MPa。
在题目中筒体材料的屈服应力425MPa,材料的安全系数均为
,则:
允许的最大应力为
=425/1.5=283.333MPa
可见强度满足要求,但是筒体厚度过厚,造成了很大的浪费。
(2)结构优化
从分析图可以看出筒体和封头过厚,现优化如下取值:
1、同时减少封头,筒体厚度
当筒体厚度为50mm,封头厚度为36mm时,最大应力为272.361MPa
2、由上图可知,封头厚度可以继续优化,而筒体厚度可以在适当调整。
当筒体厚度为46mm,封头厚度为30mm时,最大应力为293.851MPa
3、由图可知筒体厚度已经过薄,需再一次调整封;封头厚度已达到合适值:
当筒体壁厚为48mm,封头厚度为30mm时,最大应力为282.339MPa
从上面可知:
筒体最优厚度为48mm,封头的最优厚度为30mm,此时既能够满足要求,又最省材料。
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- 关 键 词:
- 课程设计 高压 容器 连接 应力 分析