内容发布更新时间 : 2024/12/23 20:26:05星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

练习1 高压容器筒体与封头的连接区的应力分析

由于球型封头在内压力作用下的两向应力相同，应力状态最好，在凸形封头中所需厚度最小，因此直径较大的高压容器一般采用球型封头。但是，由于球型封头的厚度与相连筒体的厚度相差较大，因此，筒体与封头之间必然存在过渡区，通常采用锥形过度段进行连接。而锥形过度段则通过削薄筒体端部获得，结构如图9-1所示。由于结果的不连续，使得该过度区域称为高压容器告应力区之一。

1．问题描述

某高压容器设计压力P=16MPa,设计温度T=200℃，材料为16MnR。筒体内径R1=775mm，容器筒体与封头的连接区进行应力分析。

2．分析问题

由于主要讨论封头与筒体过渡区的应力状况，忽略封头上的其他结构，如开孔接管等，建立如图9-2所示的有限元分析力学模型，其中筒体长度应远大于边缘应力的衰减长度，此处取筒体长度Lc=1200mm。

图9-1 高压容器球形封头与筒体链接区结构 图9-2有限元分析模型 有限元计算采用PLANE82单元，并设定轴对称选项。筒体下端各节约束轴向位移，球壳对称面上各节点约束水平方向位移，内壁施加均匀压力面载荷。

3．GUI过程 （1）环境设置。

Step 1 启动ANSYS：以交互模式进入ANSYS。在总路径下面建立子路径F：\\ANSYS_WORK,工作文件名取为E41，进入ANSYS界面。

Step 2 设置标题：执行Utility Menu＞Change Title命令，弹出Change Title对话框，输入vortex，单击OK按钮，关闭对话框。

Step 3 初始化设计变量：执行Utility Menu＞Parameters＞Scalar Parameters命令，弹出Scalar Parameters对话框，输入表4-1所列参数。

表9-1 参数表

参数 参数意义 筒体内半径 球壳内半径 筒体壁厚 球壳壁厚 筒体长度 筒体削边长度 设计压力 参数 参数意义 材料弹性模量 材料泊松比 厚度方向剖分数 球壳经向剖分数 筒体轴向剖分数 过渡段剖分数 剖分比例 R1=775mm R2=800mm t1=100mm t2=48mm Lc=1200mm L=95mm P=16MPa E=2e5MPa nu=0.3 nt=5 ns=30 nc=30 nl=5 ra=0.6 注意：初始化参数的时候不能连同单位一起输入，实际上，ANSYS没有单位的限制，设计者可以采用国际单位制，也可以采用非标准制，但无论如何彼此换算必须统一。

（2）定义单位及材料。

Step 1 定义单位类型：执行Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出Element Type对话框；单击Add按钮，添加单元。弹出Library of Element Types对话框。在左侧列表选择Structural0 Solid项，在右侧列表中选择Quad 8node82项，如图9-3所示。单击OK按钮，退回至Element Type对话框。

图9-3 定义单元类型

Step 2 设置轴对称选项：在Element Type对话框中，单击Options按钮，设置PLANE82 element type options 选项，在Element behavior K3下拉框中选择Axisymmetric，单击OK按钮，如图9-4所示。

图9-4 设置轴对称选项

Step 3 定义材料属性：执行Main Menu＞Preprocessor＞Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框，如图9-5所示，在右边的可选材料模型Material Models Available框中的选择Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic。

图9-5 Define Material Model Behavior对话框

Step 4 单击Isotropic项，弹出Linear Isotropic for Material Number 1对话框，在EX文本框中输入E，PRXY文本框中输入nu。单击OK按钮确定，关闭该对话框。

（3）创建模型。

Step 1 生成球壳部分子午面：执行Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Circle＞Partial Annulus命令，弹出执行框，在Rad-1、Theta-1、Rad-2、Theta-2中分别输入R2、0、R2+t2、90，单击OK按钮完成。

Step 2 生成筒体部分子午面：执行Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Rectangle＞By 2 Corners命令，弹出执行框，在WP X、WP Y、Width、Height中分别输入R1、0、t1、-Lc+L,单击OK按钮完成输入，执行后所得几何图形如图9-6所示。