有限元输气管道最终版.docx

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有限元输气管道最终版

有限元工程实践报告

题目：

输气管道有限元分析

学院：

机械工程学院班级：

工程力学C091

姓名：

吴同学号：

095622

指导教师：

范慕辉

河北工业大学

2012年6月25日

一.摘要

在当代社会，随着科学技术的不断发展，越来越多的社会需求反应了能源的重要性。

天然气作为一种新型的高效能源面临着输送的困难，这要求对管道的受力进行分析以确保管道的正常使用。

二.任务和要求：

按照输气管道的尺寸及载荷情况,要求在ANSYS中建模，完成整个静力学分析过程。

求出管壁的静力场分布。

要求完成问题分析、求解步骤、程序代码、结果描述和总结五部分。

所给的参数如下：

材料参数：

弹性模量E=200Gpa;泊松比0.26；外径R₁=0.6m；内径R₂=0.4m；壁厚t=0.2m。

输气管体内表面的最大冲击载荷P为1Mpa。

三.问题求解

（一）．问题分析

由于管道沿长度方向的尺寸远大于管道的直径，在计算过程中忽略管道的端面效应，认为在其长度方向无应变产生，即可将该问题简化为平面应变问题，选取管道横截面建立几何模型进行求解。

（二）．求解步骤

1.定义工作文件名

选择UtilityMenu→File→ChangJobname出现ChangeJobname对话框，在[/FILNAM]Enternewjobname输入栏中输入工作名EXERCISE2，并将Newloganderorfile设置为YES，单击[OK]按钮关闭对话框

2.定义单元类型

1）选择MainMeun→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delte命令，出现ElementType对话框，单击[Add]按钮，出现LibraryofElementtypes对话框。

在LibraryofElementtypes复选框选择Strctural、Solid、Quad8node82,在Elementtypereferencenumber输入栏中出入1，如图36所示，单击[OK]按钮关闭该对话框。

图36“单元类型列表”对话框

3）单击ElementType对话框上的Options按钮，出现PLANE82elementtypeoptions对话框，在ElementbehaviorK3下拉菜单中选择Planestrain，其余选项采用默认设置，如图37所示，单击OK按钮关闭该对话框。

4）单击ElementType对话框上的Close按钮，关闭该对话框。

图37“PLANE82单元属性设置”对话框

3.定义材料性能参数

1）单击MainMeun→Preprocessor→MaterialProps→Materialmodels出现DefineMaterialBehavion对话框。

选择依次选择Structural、Linear、Elastic、Isotropic选项，出现LinearIsotropicMaterialPropertiesForMaterialNumber1对话框。

2）在EX输入2e11，在Prxy输入栏中输入0.26，单击OK按钮关闭该对话框。

3）在DefineMaterialModelBehavion对话框中选择Material→Exit命令关闭该对话框。

4.生成几何模型、划分网格：

1）选择MainMeun→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→PartailAnnulus出现PartAnnulusCircArea对话框，在WPX文本框中输入0，在WPY文本框中输入0，在Rad-1文本框中输入0.4，在Theta-1文本框中输入0，在Rad-2文本框中输入0.6，在Theta-2文本框中输入90，如图38所示，单击OK按钮关闭该对话框。

图38“生成部分圆环面”对话框

图39“面反射”拾取菜单

2）选择UtilityMenu→PlotCtrls→Style→Colors→ReverseVideo，设置显示颜色。

3）选择UtilityMenu→Plot→Areas，显示所有面。

4）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Reflect→Areas，出现ReflectAreas拾取菜单，如图39所示，单击PickAll按钮，出现ReflectAreas对话框，在NcompPlaneofSymmetry选项中选择Y-ZplaneX，其余选项采取默认值，如图40所示，单击OK按钮关闭该对话框。

5）选择MainMenu→Preprocessor→Modeling→Reflect→Areas出现ReflectAreas拾取菜单，单击PickAll按钮，出现ReflectAreas对话框，在NcompPlaneofSymmetry选项中选择X-ZplaneY，其余选项采用默认设置，单击OK关闭该对话框。

6）选择MainMeun→Preprocessor→NumberingCtrls→MergeItems出现MergeCoincidentorEquivalentlyDefinedItems，在LabelTypeofItemtobeMerge下拉列表中选择all，如图41所示，单击OK按钮关闭该对话框。

图40“映射面”对话框

图41“合并同位置或等效项目”对话框

7）选择MainMeun→Preprocessor→NumberingCtrls→ComprssNumbers，在LabelItemtobeCompressed下来列表中选择all，如图42所示，单击OK关闭该对话框。

8）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入GEOMETRICMODEL，单击OK按钮关闭该对话框。

9）选择UtilityMenu→Plot→Areas命令，ANSYS显示窗口将显示所生成的几何模型。

如图43所示。

10）选择UtilityMenu→Plotctrls→Numbering命令，出现PlotNumberingControls对话框，选中LINELineNumbers选项，使其状态从OFF变为ON，其余选项采用默认设置，单击OK关闭对话框。

图42“压缩编号”对话框

11）选择UtilityMenu→Workplane→ChangeActiveCSto→GlobalCylindrical命令，将当前坐标系转换为柱坐标系。

12）选择UtilityMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择byLocation，在第三栏中选择XCoordinates单选项，在Min，Max选项中输入0.5，在第五栏中选择FromFull单选项，如图44所示，单击OK关闭该对话框。

图43生成的几何模型结果显示

13）选择MainMeun→Preprocessor→Meshing→SizeCntrls→Manualsize→Lines→AllLines命令，出现ElementSizesonAllSelectedLines对话框，在NDIVNo.ofelementeivisions文本框中输入4，如图45所示，单击OK关闭该文本框。

14）选择UtilityMenu→Select→Everything命令，选择所有实体。

15）选择UtilityMenu→Select→Ntities命令，出现ElectNtities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择byLocation，在第三栏中选择XCoordinates单选项，在Min，Max选项中输入0.5，在第五栏中选择Unselect单选项，单击OK关闭该对话框。

16）选择MainMeun→Preprocessor→Meshing→SizeCntrls→Manualsize→Lines→AllLines命令，出现ElementSizesonAllSelectedLines对话框，在NDIVNO.OfElementDivisions文本框中输入20，单击OK关闭该文本框。

17）选择MainMeun→Preprocessor→Meshing→Mesh→Areas→Free命令，出现MeshAreas拾取菜单，单击PickAll按钮关闭该菜单。

18）选择UtilityMenu→Select→Everything命令，选择所有实体。

19）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入ELEMENTSINMODEL按钮关闭该对本框。

图44“选择实体”对话框

图45“设置线段单元尺寸”对话框

20）选择UtilityMenu→Plot→Elements命令，ANSYS显示窗口将显示网格划分结果，如图46所示。

21）选择UtilityMenu→file→Saveas命令，出现SaveDatabase对话框，在SaveDatabaseto文本中输入exercise21.db，保存上述操作过程，单击ok关闭该对话框。

图46网格划分结果显示

5.加载求解：

1）选择MainMenu→Solusion→AnalysisType→NewAnalysis命令，出现NewAnalysis对话框，选择分析类型为Static，单击OK按钮关闭给对话框。

2）选择MainMenu→Plot→Lines命令，显示所有线段。

3）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择ByNum/Pick，在第三栏中选择FromFull单选项，单击OK按钮，出现SelectLines拾取菜单，在文本框中输入3，6，10，12单击OK按钮关闭对话框。

4）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择Attachedto，在第三栏中选择Lines，All单选项，在第四栏中选择FromAll单选项，单击OK关闭该对话框。

5）选择MainMenu→Solusion→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→onNodes命令，出现ApplyPRESonNodes拾取菜单，如图47所示，单击PickAll按钮，出现ApplyPRESonNodes对话框，参照图48对其进行设置，单OK关闭该对话框。

6）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择ByNum/Pick，在第三栏中选择FromFull单选项，单击OK按钮，出现SelectLines拾取菜单，在文本框中输入2，9单击OK按钮关闭对话框。

7）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择Attachedto，在第三栏中选择Lines，All单选项，在第四栏中选择FromAll单选项，单击OK关闭该对话框。

图47“在节点上施加压力载荷”拾取菜单

图48“在节点上施加压力载荷”对话框

8）选择MainMenu→Solusion→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→onNodes命令，出现ApplyU,ROTonN拾取菜单，如图49，单击PickAll按钮，出现ApplyU,ROTonNodes对话框，参照图50对其进行设置，单OK关闭该对话框。

图49“在节点上加位移约束”拾取菜单

图50“在节点上施加位移约束”对话框

9）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelecEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Lines，在第二个下拉列表中选择ByNum/Pick，在第三栏中选择FromFull单选项，单击OK按钮，出现selectlines拾取菜单，在文本框中输入4，7单击OK按钮关闭对话框。

10）选择MainMenu→Select→Entities命令，出现SelectEntities对话框，在第一个下拉列表中选择Nodes，在第二个下拉列表中选择AttachedTo，在第三栏中选择Lines，All单选项，在第四栏中选择FromAll单选项，单击OK关闭该对话框。

11）选择MainMenu→Solusion→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→onNodes命令，出现ApplyU,ROTonN拾取菜单，单击PickAll按钮，出现ApplyU,ROTonN对话框，在Lab2DOFstobeContrained列表框中选择UY，在Applyas下拉列表中选择Constantvalue，在VALUEDisplacementvalue文本框中输入0，单击OK按钮关闭该对话框。

12）选择UtilityMenu→Select→Everything命令，选择所有实体。

13）选择UtilityMenu→File→Saveas命令，出现SaveDatabase对话框，在SaveDatabaseto文本中输入LEILIN10074723-2.db，保存上述操作过程，单击OK关闭该对话框。

14）选择Mainmenu→Solution→Solve→CurrentLS命令，出现SolveCurrentLoadStep对话框，单击OK按钮，ANSYS开始求解计算。

15）求解结束时，出现Note提示框，单击Close关闭该对话框。

16）选择UtilityMenu→File→SaveAs命令，出现SaveDatabase对话框，在SaveDatabaseto文本中输入exercise22.db，保存上述操作过程，单击OK关闭该对话框。

四.查看求解结果：

1）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入CONTOUROFSUMDISPLACEMENTS，单击OK按钮关闭该对话框。

2）选择MainMenu→GeneralPostproc→PlotResult→ContourTitle→NodalSolu命令，出现ControurNodalSoulutionData对话框，在Itemtobecontonred选项框中选择NodalSolution→DOFsolution→DisplacementVectorSUM，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示位移场等值线图。

如图51所示。

此图清楚地表现了最大位移的地方时管道内侧，其值为0.0550微米；最小位移为0.0448微米，在管道壁外侧。

3）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入STRESSCONTOURINXDIRECTION，单击OK按钮关闭该对话框。

4）选择MainMenu→GeneralPostproc→PlotResult→Contourplot→NodalSolu命令，出现ControurNodalSoulutionData对话框，在ItemtoBecontonred选项框中选择NodalSoulution→Stress→X-ComponentofStress，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示X方向应力等值线图。

如图52所示。

5）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入STRESSCONTOURINYDIRECTION，单击OK按钮关闭该对话框。

6）选择MainMenu→GeneralPostproc→PlotResult→Contourplot→NodalSolu命令，出现ControurNodalSoulutionData对话框，在Itemtobecontonred选项框中选择NodalSoulution→Stress→Y-ComponentofStress，单击【OK】按钮，ANSYS显示窗口将显示Y方向应力等值线图。

如图53所示。

图52，图53分别为X方向和Y方向应力等值线图，两幅图直观的将管道的应力分布展现出来，其所受最大应力的地方均为管道的内侧，数值均为2.59MPa，最小值出现在管道壁的外侧，数值为0.992Mpa，由数值判断管道壁受到挤压。

7）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入CONTOUROFEQUIVALENTSTRESS，单击OK按钮关闭该对话框。

8）选择MainMenu→GeneralPostproc→PlotResult→ContourPlot→NodalSolu命令，出现ControurNodalSoulutionData对话框，在Itemtobecontonred选项框中选择NodalSoulution→Stress→vonMisesstress，单击【OK】按钮，ANSYS显示窗口将显示等效应力等值线图。

如图54所示。

此图表明受内压管道的最大等效应力为3.13Mpa,最小等效应力产生在输气管道的外侧，其数值为1.44MPa。

9）选择UtilityMenu→File→ChangeTitle命令,出现ChangeTitle对话框，在输入栏中输入CONTOUROFEQUIVALENTSTRIAN，单击OK按钮关闭该对话框。

10）选择MainMenu→GeneralPostproc→PlotResult→ContourPlot→NodalSolu命令，出现ControurNodalSoulutionData对话框，在Itemtobecontonred选项框中选择NodalSoulution→TotalTtrain→vonMisestotalstrain，单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示等效应变等值线图，如图55所示。

此图表明最大等效应变产生在输气管道的内侧，数值为15.6微米，而在最外侧产生最小等效应变，数值为7.18微米。

5.结果分析：

由上述计算产生的位移等值线图，应力等值线图以及等效应力和等效应力等值线图，可以清晰直观的看到，当输气管道受到内压时，最大的位移，最大的应力，均产生在管道的内侧，这与使用弹性力学计算得到了一致的结果。

由此可见，当管道使用时，首先产生破坏的地方是管道的内侧，这就使得校核管道强度的时候应首先校核管道的内侧，当管道内侧强度达到要求时，整个管道本身也会达到要求。