基于有限元ANSYS压力容器应力分析报告.doc

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压力容器分析报告

目录

1设计分析依据 1

1.1设计参数 1

1.2计算及评定条件 1

1.3材料性能参数 1

2结构有限元分析 2

2.1理论基础 2

2.2有限元模型 2

2.3划分网格 3

2.4边界条件 5

3应力分析及评定 5

3.1应力分析 5

3.2应力强度校核 6

4分析结论 8

4.1上封头接头外侧 9

4.2上封头接头内侧 11

4.3上封头壁厚 13

4.4筒体上 15

4.5筒体左 17

4.6下封头接着外侧 19

4.7下封头壁厚 21

1设计分析依据

（1）压力容器安全技术监察规程

（2）JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》-2005确认版

1.1设计参数

表1设备基本设计参数

正常设计压力MPa

7.2

最高工作压力MPa

6.3

设计温度℃

0~55

工作温度℃

5~55

工作介质

压缩空气46#汽轮机油

焊接系数φ

1.0

腐蚀裕度mm

2.0

容积㎡

4.0

容积类别

第二类

计算厚度mm

筒体29.36

封头29.03

1.2计算及评定条件

（1）静强度计算条件

表2设备载荷参数

设计载荷工况

工作载荷工况

设计压力7.2MPa

工作压力6.3MPa

设计温度55℃

工作温度5~55℃

注：

在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本报告中分别选用设计载荷进行计算，故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。

1.3材料性能参数

材料性能参数见表3，其中弹性模型取自JB4732-95表G-5，泊松比根据JB4732-95的公式（5-1）计算得到，设计应力强度分别根据JB4732-95的表6-2、表6-4、表6-6确定。

表3材料性能参数性能

温度55℃

材料名称

厚度

设计应力强度

弹性模型

泊松比

钢管20

≤10mm

150MPa

1.92×10³MPa

μ=0.3

锻钢Q345

≤100mm

185MPa

1.92×10³MPa

μ=0.3

钢板16MnR

26~36

188MPa

1.92×10³MPa

μ=0.3

锻钢16Mn

≤300mm

168MPa

1.92×10³MPa

μ=0.3

2结构有限元分析

2.1理论基础

传统的压力容器标准与规范，一般属于“常规设计”，以弹性失效准则为理论基础，由材料力学方法或经验得到较为简单的适合于工程应用的计算公式，求出容器在载荷作用下的最大主应力，将其限制在许用值以内，即可确认容器的壁厚。

对容器局部区域的应力、高应力区的应力不做精细计算，以具体的结构形式限制，在计算公式中引入适当的系数或降低许用应力等方法予以控制，这是一种以弹性失效准则为基础，按最大主应力理论，以长期实践经验为依据而建立的一类标准。

塑性理论指出，由于弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是不同的，随着工艺条件的苛刻和容器的大型化，常规设计标准已经不能满足要求，尤其是在应力集中区域。

若不考虑应力集中而只按照简化公式进行设计，不是为安全而过分浪费材料就是安全系数不够。

基于各方面的考虑，产生了“分析设计”这种理念。

采用以极限载荷、安定载荷和疲劳寿命为界限的“塑性失效”与“弹性失效”相结合的“弹塑性失效”准则，要求对容器所需部位的应力做详细的分析，根据产生应力的原因及应力是否有自限性，分为三类共五种，即一次总体薄膜应力（Pm）、一次局部薄膜应力（Pc）、一次弯曲应力（Pb）、二次应力（Q）和峰值应力（F）。

对于压力容器的应力分析，重要的是得到应力沿壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。

而基于弹性力学理论的有限元分析方法，是一种对结构进行离散化后再求解的方法，为了获得所选“校核线”上的应力分布规律及大小，就必须对节点上的应力值进行后处理，即应力分类，根据对所选“校核线”上的应力进行分类，得出各类应力的值，若满足强度要求，则所设计容器是安全的。

按照JB4732-1995进行分析，整个计算采用ANSYS13.0软件，建立有限元模型，对设备进行强度应力分析。

2.2有限元模型

由于主要关心容器开孔处的应力分布规律及大小，为减少计算量，只取开孔处作为分析对象，且取其中较为关心的大孔进行分析校核。

分析设计所用的几何模型如图1所示。

在上下封头和筒体之间存在不连续的壁厚，由于差距和影响量较小，此处统一采用上下封头的设计厚度。

图1压力容器模型

2.3划分网格

在结构的应力分析中，采用ANSYS13.0中的solid187单元进行六面体划分，如图2所示。

图3~图5分别为上封头、筒体、下封头的有限元模型。

图2压力容器有限元模型

图3上封头有限元模型

图4筒体有限元模型

图5下封头有限元模型

2.4边界条件

模型只取开孔段作为分析对象，约束条件为:

筒体底部为固结，筒内施加内压，整体温度设定为55℃，整体受向下的重力，如图6所示。

图6边界条件

3应力分析及评定

3.1应力分析

在7.2MPa的设计压力下，压力容器的应力强度分布如图7所示。

内部应力强度如图8所示。

从图7、图8分析可知，应力主要集中于接头、开孔以及封头弯曲处。

以下将主要针对应力集中区域进行强度分析。

图7应力强度

图8内部应力强度

3.2应力强度校核

在设计载荷作用下的有限元模型进行应力强度分析，现对分析结果进行应力强度评定。

评定的依据为JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》。

应力线性化路径的原则为：

（1）通过应力强度最大节点，并沿壁厚方向的最短距离设定线性化路径；

（2）对于相对应力强度高的区域，沿壁厚方向设定路径。

设计工况（7.2MPa）下的评定线性化路径见图9~图11，线性化结果见附录1~7，具体评定如下表4.

`

图9上封头评定路径

图10筒评定路径

图11下封头评定路径

表4应力强度证实表

路径

应力强度类型

应力强度值/MPa

应力强度许用极限/MPa

评定结果

线性结果

A

一次局部薄膜应力强度SII

153.8

1.5Sm=282

通过

附录1

一次+二次应力强度SIV

240.5

3Sm=564

通过

附录1

B

一次局部薄膜应力强度SII

141.8

1.5Sm=282

通过

附录2

一次+二次应力强度SIV

174.1

3Sm=564

通过

附录2

C

一次局部薄膜应力强度SII

167.9

1.5Sm=282

通过

附录3

一次+二次应力强度SIV

288.7

3Sm=564

通过

附录3

D

一次局部薄膜应力强度SII

73.88

1.5Sm=282

通过

附录4

一次+二次应力强度SIV

177.2

3Sm=564

通过

附录4

E

一次局部薄膜应力强度SII

117.9

1.5Sm=282

通过

附录5

一次+二次应力强度SIV

226

3Sm=564

通过

附录5

F

一次局部薄膜应力强度SII

281.9

1.5Sm=225

不通过

附录6

一次+二次应力强度SIV

409.8

3Sm=450

通过

附录6

G

一次局部薄膜应力强度SII

136

1.5Sm=282

通过

附录7

一次+二次应力强度SIV

247.5

3Sm=564

通过

附录7

4分析结论

进油弯管需增加壁厚或者选用强度更高的材料。

附录

4.1上封头接头外侧

PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=SHANG1DSYS=0

*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****

INSIDENODE=65832OUTSIDENODE=65108

LOADSTEP0SUBSTEP=1

TIME=1.0000LOADCASE=0

THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.

**MEMBRANE**

SXSYSZSXYSYZSXZ

0.3095E+080.1217E+090.1575E+09-0.4562E+07-0.5633E+070.4286E+08

S1S2S3SINTSEQV

0.1716E+090.1209E+090.1773E+080.1538E+090.1358E+09

**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I0.2878E+080.3962E+080.6961E+08-0.5587E+07-0.2948E+070.4234E+08

C0.0000.0000.0000.0000.0000.000

O-0.2878E+08-0.3962E+08-0.6961E+080.5587E+070.2948E+07-0.4234E+08

S1S2S3SINTSEQV

I0.9673E+080.3937E+080.1924E+070.9480E+080.8270E+08

C0.0000.0000.0000.0000.000

O-0.1924E+07-0.3937E+08-0.9673E+080.9480E+080.8270E+08

**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I0.5974E+080.1613E+090.2271E+09-0.1015E+08-0.8581E+070.8521E+08

C0.3095E+080.1217E+090.1575E+09-0.4562E+07-0.5633E+070.4286E+08

O0.2172E+070.8207E+080.8790E+080.1025E+07-0.2685E+070.5227E+06

S1S2S3SINTSEQV

I0.2642E+090.1602E+090.2373E+080.2405E+090.2089E+09

C0.1716E+090.1209E+090.1773E+080.1538E+090.1358E+09

O0.8895E+080.8104E+080.2155E+070.8679E+080.8312E+08

**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I0.2811E+070.3018E+080.1030E+09-0.4383E+07-0.1327E+080.3888E+08

C-0.1887E+07-0.5117E+07-0.1999E+080.1399E+060.2935E+07-0.6501E+07

O-0.8673E+070.1310E+080.5577E+08-0.1213E+07-0.9238E+070.1515E+08

S1S2S3SINTSEQV

I0.1185E+090.2797E+08-0.1050E+080.1290E+090.1147E+09

C0.3219E+06-0.4770E+07-0.2254E+080.2287E+080.2079E+08

O0.6095E+080.1133E+08-0.1208E+080.7303E+080.6459E+08

**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I0.6255E+080.1915E+090.3301E+09-0.1453E+08-0.2185E+080.1241E+09

C0.2907E+080.1166E+090.1375E+09-0.4423E+07-0.2698E+070.3636E+08

O-0.6501E+070.9517E+080.1437E+09-0.1884E+06-0.1192E+080.1567E+08

S1S2S3SINTSEQVTEMP

I0.3823E+090.1882E+090.1369E+080.3686E+090.3193E+0955.00

C0.1490E+090.1162E+090.1788E+080.1312E+090.1182E+09

O0.1480E+090.9250E+08-0.8129E+070.1561E+090.1370E+0955.00

4.2上封头接头内侧

PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=SHANG2DSYS=0

*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****

INSIDENODE=65118OUTSIDENODE=65792

LOADSTEP0SUBSTEP=1

TIME=1.0000LOADCASE=0

THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM.

**MEMBRANE**

SXSYSZSXYSYZSXZ

0.2875E+080.1579E+090.1366E+090.3146E+07-0.1770E+080.1555E+08

S1S2S3SINTSEQV

0.1681E+090.1289E+090.2631E+080.1418E+090.1268E+09

**BENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I-0.2288E+070.1513E+08-0.9214E+06-0.2957E+08-0.8940E+060.1769E+08

C0.0000.0000.0000.0000.0000.000

O0.2288E+07-0.1513E+080.9214E+060.2957E+080.8940E+06-0.1769E+08

S1S2S3SINTSEQV

I0.4056E+080.2355E+07-0.3099E+080.7155E+080.6201E+08

C0.0000.0000.0000.0000.000

O0.3099E+08-0.2355E+07-0.4056E+080.7155E+080.6201E+08

**MEMBRANEPLUSBENDING**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I0.2646E+080.1731E+090.1357E+09-0.2642E+08-0.1859E+080.3324E+08

C0.2875E+080.1579E+090.1366E+090.3146E+07-0.1770E+080.1555E+08

O0.3104E+080.1428E+090.1376E+090.3271E+08-0.1680E+08-0.2141E+07

S1S2S3SINTSEQV

I0.1896E+090.1313E+090.1443E+080.1751E+090.1545E+09

C0.1681E+090.1289E+090.2631E+080.1418E+090.1268E+09

O0.1628E+090.1265E+090.2212E+080.1407E+090.1265E+09

**PEAK**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I-0.2802E+080.7015E+080.3489E+080.1126E+08-0.3272E+080.2888E+07

C0.4063E+07-0.2083E+08-0.9641E+070.4300E+060.9030E+07-0.2299E+07

O-0.2077E+080.6375E+080.3106E+080.3320E+07-0.2951E+080.4282E+07

S1S2S3SINTSEQV

I0.9026E+080.1683E+08-0.3008E+080.1203E+090.1051E+09

C0.4493E+07-0.4967E+07-0.2593E+080.3043E+080.2697E+08

O0.8115E+080.1448E+08-0.2159E+080.1027E+090.9028E+08

**TOTAL**I=INSIDEC=CENTERO=OUTSIDE

SXSYSZSXYSYZSXZ

I-0.1555E+070.2432E+090.1706E+09-0.1516E+08-0.5131E+080.3613E+08

C0.3281E+080.1371E+090.1270E+090.3576E+07-0.8666E+070.1325E+08

O0.1027E+080.2066E+090.1686E+090.3603E+08-0.4632E+080.2141E+07

S1S2S3SINTSEQVTEMP

I0.2731E+090.1481E+09-0.8923E+070.2820E+090.2448E+0955.00

C0.1422E+090.1239E+090.3077E+080.1114E+090.1035E+09

O0.2413E+090.1410E+090.3194E+070.2381E+090.2070E+0955.00

4.3上封头壁厚

PRINTLINEARIZEDSTRESSTHROUGHASECTIONDEFINEDBYPATH=SHANG3DSYS=0

*****POST1LINEARIZEDSTRESSLISTING*****

INSIDENODE=49272OUTSIDENODE=48686

LOADSTEP0SUBSTEP=1

TIME=1.0000LOADCASE=0

THEFOLLOWINGX,Y,ZSTRESSESAREINTHEGLOBALCOORDINATESY