容器封头大开孔结构分析.docx
容器封头大开孔结构分析学院（系）：专业：组员：指导教师：完成日期：大连理工大学Dalian University of Technology摘 要对受压筒体开孔率大于0.5的大开孔结构的开孔及其补强问题，在GB150-98中没 有相应的设计规定。由于大开孔后，孔边缘不仅存在大的薄膜应力，而且还会产生高的 弯曲应力，因此以受拉伸开孔大平板为计算模型的等面积补强法是不适用的。目前，我 国一般采用的压力容器大开孔（开孔率不超过0.8）补强设计计算方法是原西德AD规 范（受压容器规范）中用的压力面积法。本文简略地分析介绍了大开孔补强的有限单元法。使用有限单元法计算分析模型容 器筒体上受内压的大开孔补强结构的强度并比较了不同封头的受力情况。并以ANSYS 软件对此大开孔补强结构进行线性化的极限分析计算。求出其极限载荷，并用分析设计 准则对其进行了强度校核。并进行了补强的设计与计算。关键词：大开口；补强；有限元；极限载荷摘 要I引 言1错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。1 ANSYS 简介1.1技术种类1.2开发应用1.3软件优势1.4分析类型1.5软件介绍1.6应用领域2容器封头大开孔结构设计22.1问题分析22.2基本参数22.2.1 设计参数22.2.2 材料参数22.3有限元分析22.3.1 几何模型简化22.3.2 有限元模型112.3.3 有限元建模112.4结果分析162.5应力强度评定183补强设计及计算19结论20参考文献21致谢22引 言有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法对真实 物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单 元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。而最常见的有限 元分析软件就是ANSYS软件。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析公司之一的美国ANSYS开发，它能 与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。接下来我们就将用ANSYS软件就容器封头大开孔结构进行有限元分析。2容器封头大开孔结构设计2.1问题分析本次分析是针对容器封头达开孔进行分析。2.2基本参数2.2.1设计参数由模型总图得容器内径1000mm，壁厚10mm，取T=450°C。取筒体长度 L=2000mm。2.2.2材料参数由GB150-2011标准，查得Q345不锈钢在该温度下材料性能参数如下：Os=345Mpa Ob=490Mpa Ots=190Mpa 贝 U Os/ns=345/1.5=230MpaOb/nb=490/2,6=188.46Mpa°ts/nts=190/1.5=126.67Mpa2.3有限元分析2.3.1几何模型简化建立几何模型图1全几何图2接管处几何模型2.3.2有限元模型采用映射划分网格，设置单元边长2mm。1、创建单元类型2、定义材料模型3、创建矩形type irnyANOCT 234、移动工作平面5、创建面6、缩放变成椭圆封头7、拷贝点8、建立椭圆坐标系及椭圆封头9、将椭圆封头四线连成一个13、打断删除14、把面粘起来15、划分网格16、限制刚体位移17、加入压力18、计算19、显示应力第二王应力第二土应力2.4结果分析结果分析：开孔越大，受力越不好椭圆度越大，受力越不好2.5应力强度评定根据ANSYS计算结果只有球形十分之五线性化结果满足应力强度限制，由下表 可知其中SINT=120.8MpaV126.67Mpa满足强度条件，其他结构需要进行补强。* TOTAL *I二INSIDE C二CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZ-5. 206-15. OS.105. 0嚓9670.0000.000-1.9007. 159112. 8-1.2640.0000.000物7867. 093114. 40； 17930.0000. 000S1S2S3 :SINTSEQVTEMP10&.0-4. 379-15. 86120. g115. 50.000112.87.海-2. 073114. 9110.5114. 47. ids3.110. 6109. 00.0003补强设计及计算线性化法是将容器各计算部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿一条 应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评定。通过 ansys软件进行应力线性化处理。由ANSYS计算结果可知除球形十分之五开孔 满足强度要求外，其他大开孔均需要补强。其中球形和标准椭圆壁厚增加10mm， 椭圆增加10mm还是达不到要求，所以增加了 20 mm。分别以以球形球形十分 之七和标准椭圆十分之七开孔为例，壁厚增加后线性化计算结果如下：* TOTAL *I二INSIDE“CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZ-4. 216-B. 5546. 26-0. 5853'0. 0000. 000-4. 003；5.S6B成74-0.59U60. 0000. 0001. 7847. 41156. 20-0. 5203E-010. 0000. OOjOS1S2S3SINTSEQVTEMP46.26-4.198-23； 57础蹈62： 440. OJOO底745.904-4. ：03957. 78惑'5156.207. 4121. 73454. 4251.83：0. 000*TOTAL *IINSIDE OCENTER 0 二 OUT El DEsxSYSZSXYSYZSXZ0. 6442公00775. 721850. 0000. 0000. 54731. 00078. 16-1.8530. 0000. 0000; 7109E-020. 3471BQ; 460. 34S0E-010. 0000. 000SIS2日3SINTSEQVTEMP75. 724. 5路-1. 9灵77. 6574. 600. 0007S. 162. U0-1.通79.关77. 468Q-. 460； 3506'S553E-0280. 4680; 290. 000由上表可知，当容器厚度增加后，开口结构满足强度要求。结 论本文简略地分析介绍了大开孔补强的有限单元法。使用有限单元法计算分析 了大开孔补强结构的强度并比较了不同封头的受力情况。并以ANSYS软件对此大 开孔补强结构进行线性化的极限分析计算。并用分析设计准则对其进行了强度校 核。通过有限元分析不难发现：容器封头开孔越大，受力越不好；椭圆度越大， 受力越不好。在工程实践中大开孔补强结构应有较大的安全系数，有限单元法对 大开孔补强设计是合理和安全的。参考文献1化工原理（下册），大连理工大学，高等教育出版社，2002过程机械（上册），大连理工大学，化学工业出版社，20083 成青.压力面积法开孔补强设计方法分析.石油化工设备技术，20014 JB4732-95钢制压力容器及标准释义，全国压力容器标准化技术委员会，19955 祝效华.ansys高级工程有限元分析范例精选，电子工业出版社，2004致 谢历时将近半个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无 数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢老师，他对 我们进行了无私的指导和帮助。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的 撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批 评和指正。
