利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析.pdf
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1、第2 9 卷第1 期煤矿机械 V 0 1 2 9 N o 1 2 0 0 8 年1 月 C o a lM i n eM a c h i n e r y J a n 2 0 0 8 利用A N S Y S 软件对压力容器进行应力分析 韩敏 ( 西安科技大学,西安7 1 0 0 5 4 ) 摘要:利用A N S Y S 有限元软件对压力容器进行应力分析,获得了压力容器的应力分布图。 经分析发现,A N S Y S 软件分析的结果与真实情况基本一致。整个建模、分析过程充分说明A N S Y S 软件为压力容器的结构设计提供了可靠、高效的理论依据。 关键词:压力容器;A N S Y s ;有限元;应力
2、分析 中图分类号:T H 4 9 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 3 - 0 7 9 4 ( 2 0 0 8 ) 0 l 一0 0 7 3 0 2 S t r e s sA n a l y s i so fP r e s s u r eC o n t a i n 丽t hA N S Y SS o f t w 盯e H A N M i l l I X i a l lU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 。X i a n7 1 0 0 5 4 。C h i n a ) A b s t r a c t :田l e
3、s t a t i cf o r c ei m p a c t i o no fap r e s s u r ec o n t a i nw i t l lA N 趴俺s o f t w a r ew a sa n a l y s e da n dt h es t r e s s d i s t i l b u t i o nd r a f t so ft h e mw e r eg o t t e n T h r o u g ht h e o r i e sa n a l y s i s 。t h er e s u l to ff i n i t e e l e m e n ta n a l
4、 y s i si s p r o v e dt ob ea c c e p t a b l e a n di tp r o v i d e st h et h e o r i e ss u p p o r tt ot o d a y sm a c h i n eo p t i m i z ed e s i g n K e yw o r d s :p r e s s u r ec o n t a i n ;A N S Y S ;f i n i t e e l e m e n t ;s t r e s sa n a l y s i s O 引言 压力容器是多种工业领域中广泛使用的承压容 器设备。
5、目前压力容器的设计可分为规则设计( D e s i g nb yR u l e ) 和分析设计( D e s i g nb yA n a l y s i s ) 。规则 设计依据标准G T 31 5 0 ( 钢制压力容器,它是基于 “弹性失效”准则,结合经典力学理论和经验公式对 压力容器的设计做一些规定,是一种基于经验的设 计方法,得出的结构强度结果比较保守,这就限制了 容器整体性能的提高和材料的有效利用。分析设计 依据标准J B 47 3 2 ( 钢制压力容器一分析设计标准, 它是基于“塑性失效”与“弹塑性失效”准则,其理论 基础是板壳力学、弹性与塑性理论及有限元法,是根 据具体工况,对容器
6、各部位进行详细地应力计算与 分析,在不降低设备安全性的前提下选取相对较低 的安全系数,从而降低了结构的厚度,使材料得到了 有效的利用。 1有限元计算软件A N S Y S 的介绍 A N S Y S 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于 一体的大型通用有限元分析软件,是典型的C A E ( C o m p u t e rA i dE n g i n e e r i n g ) 软件。其前处理器( p r e 一 机,它的扩散器进风口风流的速压h 。,是一个定值, 因此扩散器的效率叩仅取决于扩散器出风口的平 均速度口:,秽:越小,扩散器的效率也越高,也就是说 第3 种模型的通风机扩散器利用率最高
7、,它的效率 最大。 参考文献: 1 邱宣怀机械设计 M 北京:高等教育出版社,1 9 9 7 2 白葳通用有限元分析A N S Y S 8 0 基础教程 K 北京:清华大学 出版社 p r o c e s s o r ) 能够建立被分析对象的几何模型,并进行 有限元网格自动划分以及各种材料属性和求解单元 的设置;强大的求解器( s o l u t i o n ) 可对各种加载进行 分步求解;功能丰富的后处理器( g e n e r a lp o s t p r o c ) 提 供了对结果进行有效分析的工具。大大地简化了设 计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分 析,缩短了设计周期。本文利用
8、有限元分析软件 A N S Y S 对压力容器进行应力分析。 2 压力容器的有限元分析 ( 1 ) 压力容器模型创建 本次作为分析对象的压力容器总长L 1 _ 24 4 5 m m ,筒体内径d 1 _ 5 0 0t o n i ,容器壁厚艿= 1 0m m ,进 气1 :3 内径d := 2 0 01 1 1 1 1 1 ,材料为Q 2 3 5 一A ,弹性模量 E = 2 0 6G P a ,泊松比岸= 0 2 8 ,盯。= 2 3 5M P a ,设计压 力P = 1 3M P a 。 具体的实体模型生成方法有2 种:利用A N S Y S 软件本身的建模功能,在A N S Y S 工作
9、环境中直 接创建实体模型。在这方面,A N S Y S 软件提供了非 常方便的菜单功能,即只需用鼠标单击菜单中的选 项,就能调出所需要的命令,并且能从图形窗口直接 3 邵蕴秋A N S Y S 8 0 有限元分析实例导航 M 北京:中国铁道出 版社,2 0 0 4 4 黄长艺,严普强机械工程测试技术基础 M 北京:机械工业出 版社。2 0 0 1 5 刘鸿文材料力学 M 北京:高等教育出版社,2 0 0 4 作者简介:王娟( 1 9 8 0 一) ,女,江苏宿迁人,中国矿业大学机电 学院硕士研究生,专业方向:机械设计,电子信箱:j u m 栅群 1 6 3 c o r n 一7 3 一 收稿日
10、期:2 0 0 7 4 3 9 - 0 7 万方数据 利用A N S Y S 软件对压力容器进行应力分析韩敏第2 9 卷第t 期观察创建实体的建模效果。这种方法建立的模型往往是比较简单,且实体形状较为规则。若形状为比较复杂的曲面模型、结构模型可以通过A N S Y S 的实体模型导人接口传人模型。A N S Y S 设置了与多种C A D 、C A M 、C A E 软件的数据传输接口,如P R O E ,C A T I A ,U G 等,通过这个接口,可以把其他造型软件开发的较为复杂的实体模型直接传人A N S Y S 中( 从协同工作的角度来看,这样的接口也为产品设计开发过程中引入并行工程
11、、逆向工程等高效设计开发方法提供了有益的保障) 。由于本模型形状比较简单,所以运用交互模式在A N S Y S 软件中直接生成实体模型。A N S Y S 软件提供了2 种实体建模的方法,即自底向上的建模方法和自顶而下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点,然后依次创建相关的线、面和体等图元。自顶而下的建模方法可以直接创建高级图元,如球、棱柱等三维实体,通常称之为几何体素。一旦用户定义了一个体素,程序会自动定义相关的面、线和关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型,如二维的圆和矩形以及三维的立方体、球、锥和圆柱等。同时在A N S Y S 建模过程中,自底向上和自顶而下的建模方法还可
12、以自由组合使用。本模型采用的是自顶而下的实体建模的方法,基于壳体的几何轴对称性,且容器内压强处处相等,在分析中,取其一半模型进行有限元分析,在边界上限制某一方向的位移,从而生成如图1 的模型。图1 实体模型( 2 ) 网格划分在建模过程完成后,接下来要进行网格划分,相当于将整个实体分解成无数个不同位置、不同形状的“微元”,这些“微元”也就成了进行分析过程中的无数个“传感器”。通常网格划分有2 种类型,即自由网格划分和映射网格划分。对于自由网格划分,没有单元形状的限制,网格也不遵循任何的模式,当增加网格数量时,更适用于了解与分析复杂形状局部的特定部位的应力应变情况,能够更好地进行诸如“接缝”、“
13、拐角”、“过渡”等部位的应变量化研究。映射网格的划分则主要适合于规则的面或体,单元成行并有明显的规则形状。本文采用了自由网格划分,网格单元采用8 节点六面体的S O L I D 8 2 ,它是结构分析中常用的三维实体单元。共有1 44 8 9 个单元,2 94 5 0 个节点。( 3 ) 施加边界条件并求解有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载荷,并有效地实现仿真加载,是运用有限元分析工具的关键一步。在本例中,模型受到的载荷有内压、外压以及重力和支撑力。考虑到重力和外压相对内压的影响而言数量较小,可以忽略。因此,只对内壁施加面载荷P = 1 3M P a ,接下来进
14、入求解处理器对模型求解,获得应力云图,如图2 所示。图中应力大小分别采用不同颜色表示,其中红色表示应力值最大,蓝色表示应力值最小,从图中可看出应力最大出现在筒体与进气管的接缝处,为4 2 5 9M P a 。图2 应力云图( 4 ) 结果分析图2 反映了筒壁受内压作用后结构模型的应力情况,从图中可以看出:由于内压作用,筒壁向外膨胀,模型为轴对称图形,所受的内压是均匀的,膨胀也是均匀的,与预期相符;筒壁沿轴线方向应力分布是不均匀的,应力最大出现在筒体与进气管的接缝处。这是由于进气管处的模型尺寸发生了较大变化,导致应力集中,所以仿真结果是合理的;通过对筒壁进行强度校核表明,当采用Q2 3 5 一A
15、 材料,安全系数取2 5 时,压力容器的最大应力值远远小于许用应力,表明壳体的承压空间还是有一定的提升空间。3 结语通过以上对压力容器的有限元分析,较为详细地探讨了使用A N S Y S 软件进行应力分析的方法和步骤。可以看到,利用A N S Y S 软件进行压力容器结构分析应用方便、精度较高,且A N S Y S 软件的分析结果是有效的、可靠的,能够为压力容器的优化设计提供理论依据。参考文献: 1 王国强实用工程数值模拟技术及其在A N S Y S 上的实践 M 西安:西北工业大学出版社,2 0 0 0 。 2 叶先磊,史亚杰A N S Y S 下分析软件应用实例 M 北京:清华大学出版社,
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