ANSYS對(duì)壓力容器管板的有限元分析

2013-08-14 by:廣州機(jī)械cad設(shè)計(jì) 來(lái)源:仿真在線

0 序言

    壓力容器管板是壓力容器重要部件,根據(jù)管板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),它直接影響著管箱的承壓能力。它的變形情況及應(yīng)力分析對(duì)整個(gè)箱管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析起著決定性的作用。然而J摺傭解析法對(duì)壓力容器管板所受的應(yīng)力和應(yīng)變情況分析,解析誤差太大。采用ANSYS有限元分析軟件建立壓力容器管板的有限元模型,加載求解進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析對(duì)算出壓力容器管板的最大應(yīng)力泣變,利用ANSYS的有限元分析和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)功能顯示三維應(yīng)力等值面應(yīng)移等值面,從而為壓力容器管板機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析提供了充分的理論依據(jù)。

1 基本分過(guò)程

    1.1創(chuàng)建有限元模型

    本文選用一種U型管式的壓力容器來(lái)建模,管板材料選用20MuMo鍛件。球形封頭材料16MnR,材料的彈性模量E=20E+05MPa.泊松比為03,密度為7.8t/m3,設(shè)計(jì)壓力P=31.4MPa,許用應(yīng)力為196MPa。

    在壓力容器的應(yīng)力的分析中,壓力容器部件設(shè)計(jì)關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及其大小,可采用沿壁厚方向的校核線代替校核面。另外由于壓力容器是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以可選其一半結(jié)構(gòu)來(lái)建模。為了節(jié)省時(shí)間和存儲(chǔ)空間,而又不影響分析結(jié)果,根據(jù)其結(jié)構(gòu),略去一些細(xì)節(jié)。其中管孔對(duì)于管板強(qiáng)度的削弱,可以采用有效彈性模量E1和有效泊松比V1的概念將管板折算為同厚度的當(dāng)量無(wú)孔圓平板,因此管板區(qū)域分為兩大部分,1區(qū)按等效圓板來(lái)處理,而2區(qū)按實(shí)際悄況處理。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得到E1=054F,V1=0360綜上所述,所得簡(jiǎn)化后有限元分析模型。

1.2網(wǎng)格劃分
通常ANSYS的網(wǎng)格劃分有兩種方法,即自由劃分和映射劃分。自由劃分網(wǎng)格主要用于劃分邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域,分析稍度不夠高,但要求劃分的區(qū)域滿(mǎn)足一定的拓補(bǔ)條件。奕淞」分網(wǎng)格主要適合與敖鋇臼形體,分析精度高。鑒于壓力容器管板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文同時(shí)采用了這兩種方法。在非邊界區(qū)域采用醉編寸網(wǎng)格劃分,在邊界區(qū)域及梢度要求不是很高的區(qū)域采用自由網(wǎng)格劃分。四邊形網(wǎng)格單元采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID82.三邊形網(wǎng)格單元采用6節(jié)點(diǎn)的SOLID Triangle 6node2。SOLID82有相容的位移形枕適用于曲線邊界的建模。它們每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度:沿結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)X.Y.Z方向的平動(dòng)SOLID82有塑性、蠕變、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和力立變的功能。在管板與封頭聯(lián)接出是立力比較集中,此處采用三邊形網(wǎng)格加密。共有1265個(gè)單元,3994個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.3約束條件和施加載荷
邊界條件施加與工程實(shí)際是否吻合直接影響到分衫潞果的正確性、合理性。由于壓力容器的應(yīng)力分析是以線代替面,而且是取一半進(jìn)行分析,所以在端面處施加X(jué)方向約束和管孔處施加Y方向約束。整個(gè)管程承受壓力,所以在線上施加面載荷P=31.4MP。

1.4 計(jì)算結(jié)果及分析
在這一步,ANSYS將對(duì)自動(dòng)劃分的每一單元的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行討算,建立的方程很多,需要一定的時(shí)間,所得的結(jié)果很大。在結(jié)構(gòu)分析完蒯舌,可進(jìn)人通用后處理器和時(shí)間歷程后處理器中瀏覽分析結(jié)果。

由節(jié)點(diǎn)應(yīng)變分布圖顯示最大變形出現(xiàn)在球形封頭的最頂端,其值達(dá)到0.547~0.549。
次大值出現(xiàn)在管板的左端面處,也達(dá)到0.5mm左右。這與實(shí)際變形情況是相吻合的。事實(shí)上這也體現(xiàn)出管板的左端面的變形情斷夕寸整個(gè)箱管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析起央起的作用,管板的厚度及管板的外半徑參數(shù)的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著很重要的意義。由節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖可知最大應(yīng)力出現(xiàn)在管板與球形封頭聯(lián)接處.其等效應(yīng)力最大值為144.16MPa,其他部位受力情況較均勻,這與實(shí)際情況是相吻合的。綜合上述分析,有限元模型的建立、分析結(jié)果是客觀的,較為真實(shí)地反映了壓力容器管板的受力情況。

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