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ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用

ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用
ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用

ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用

刘金纯

抚顺石油化工设计院 113006

摘要压力容器应力分析设计法正在我国石油、化工等行业得到迅速地普及和发展。应用ANSYS软件提供的参数化设计语言和优化设计等高级分析技术,我们可以采用一种新的“结构

优化法”进行压力容器的应力分析设计。该方法具有设计计算周期短、工作量小等优点,具有应

用推广价值。

关键词ANSYS 压力容器 应力分析 优化设计

1 前言

随着我国压力容器设计观点、设计方法和设计标准的不断更新,以及电子计算机技术的快速发展,应用有限元分析程序对压力容器进行分析设计这一先进的设计方法正在石油、化工、核工业等行业的设备设计工作中,得到迅速的推广。在众多可用的通用和专用有限元软件中,ANSYS做为最通用有效的有限元软件之一,也在压力容器的应力分析设计中得到了广泛应用。

应用有限元分析程序进行压力容器应力分析的标准过程都是根据设计条件,用解析计算方法或根据经验值确定容器的初始结构尺寸,按照该结构尺寸用有限元程序建模、求解,再对得出的应力分析结果进行强度评定。如果强度评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改,然后再次建模、求解,进行强度评定,如此反复,直至强度评定合格为止。用这种方式进行压力容器的应力分析设计存在以下一些不足:

1.设计人员工作量大,设计计算的时间周期长;特别是模型较复杂或修改较多时,更是

如此;

2.对设计人员的工作经验要求比较高,同一台容器,不同的人员设计,往往会得到差异

较大的不同结果;

3.对容器各部分,尤其是形状比较复杂部位结构尺寸的确定往往偏于保守,造成材料浪

费。

现在,利用ANSYS程序提供的参数化设计语言(ADPL)和优化设计等高级分析技术,我们可以采用一种“结构优化法”进行压力容器的分析设计和结构优化。所谓的“结构优化法”,就是以应力强度S I、SⅡ、SⅢ、SⅣ满足设计标准要求的应力强度控制值作为约束条件,通过ANSYS的优化设计功能,求得使容器重量最小的容器结构尺寸。它与一般方法的主要区别是将以往由人工确定初始结构尺寸变为由软件通过计算自动确定,并且软件给出的这些结构尺寸是满足应力强度控制条件的优化值。

2 “结构优化法”的基本过程

“结构优化法”的基本过程如图一所示。

在这一过程中,为简化计算和便于各应力强度的控制,将容器结构参数的优化分为“优化容器基本结构参数”和“优化容器局部结构参数”两个步骤来进行。容器基本结构是组成容器壳体结构的筒体、封头、接管、管板等基本板壳部件(简称元件)。容器基本结构参数指的是在不考虑应力集中和边缘效应的情况下,元件的结构尺寸。“优化容器基本结构参数”是以参数化建模的方式分别分析计算各个元件在设计外载作用下,不受其它元件约束,可以自由变形时的应力分布。然后,选取可能出现最大一次整体薄膜应力(P m),最大一次薄膜

加一次弯曲应力(P m+P b)的全部截面进行应力线性化,再提取各应力强度作为状态变量

(SV S),体积、重量等作为目标函数(OBJ),以元件结构参数作为设计变量(DV S)进行优化设计。这样,在确定使各个元件重量最小的基本结构尺寸的同时,满足分析标准对一次总体薄膜应力强度S I≤KS m,一次薄膜加一次弯曲(P m+P b)应力强度SⅢ≤1.5KS m的要求。

容器局部结构是将组成容器的元件联接起来的各个局部联接结构和局部补强结构。如封头与筒体联接结构、开孔补强、封头与裙座连接结构等。容器局部结构参数指的是在考虑应力集中和边缘效应的情况下,壳体过渡段高度,开孔补强过渡圆角半径等容器局部结构的结构尺寸。“优化容器局部结构参数”是以参数化建模的方式分别分析计算各个容器局部结构在设计条件下的应力分布。选取可能出现最大一次局部薄膜应力(P L),最大一次薄膜加一次弯曲应力(P L+P b),最大一次加二次应力(P L+P b+Q)的全部截面进行应力线性化,再提取各应力强度作为状态变量(SV S),体积、重量等作为目标函数(OBJ),以容器局部结构参数作为设计变量(DV S)进行优化设计。这样,在确定使容器局部结构重量最小的结构尺寸的同时,满足分析标准对一次局部薄膜应力强度SⅡ≤1.5KS m,一次薄膜加一次弯曲(P L+P b)应力强度SⅢ≤1.5KS m,一次加二次应力强度SⅣ≤3KS m的要求。

3 “结构优化法”的应用实例

下面,以某热壁加氢反应器为例说明“结构优化法”的具体实施方法。该反应器的设计条件及材料物理性能如下:

设计压力:P = 11.03 Mpa 内壁操作温度:Ti= 450 ℃

外壁操作温度:To= 400 ℃

筒 体 内 径:Di=3614 mm 封 头 半 径:Ri=1834 mm 载 荷 系 数:K = 1 设计应力强度:Sm=165 Mpa

弹性模量:E=1.74E5 Mpa

泊松比:μ=0.3

线膨胀系数:α=11.4E-6 mm/mm℃热导率:λ=30 W/(m?K)

在完成容器的“结构分析”,确定容器的基本结构形式和局部结构形式之后,进行容器基本参数的优化。先将反应器壳体分解为相互独立的若干元件,对各元件分别进行优化。以筒体为例:将筒体视为无限长圆筒,如图所示进行参数化建模,选取8节点PLANE77(PLANE82)单元进行映射网格划分,用间接耦合法分析其在内压和热应力作用下的应力分布,参数化提取最大应力强度。然后以壁厚B为设计变量(DV S),筒体内的最大薄膜应力强度SINT_M≤KS m、最大薄膜加弯曲应力强度SINT_S≤1.5KS m作为状态变量(SV S),模型截面积AREA=BxL作为目标函数(OBJ),采用零阶方法进行优化。

分析文件清单如下:

B=20 ! DEFINE PARAMETER

DI=1807

L=50

P=11.05

SM=165

EXX=1.74E5

KXX=30

TI=450

TO=400

ALPX=11.4E-6

/PREP7 ! THERMAL SOLUTION ***

ANTYPE,STATIC ! STATIC ANALYSIS

/TITLE, OPTIMIZATION ,BARREL

ET,1,PLANE77,,,1 ! AXISYMMETRIC KEYOPT(S) OPTION

MP,KXX,1,KXX ! MATERIAL PROPERTIES

K,1,DI ! DEFINE KEYPOINTS, LINES, AND AREAS

K,2,DI+B

K,3,DI,L

K,4,DI+B,L

L,1,2

LESIZE,1,,,30

L,1,3

LESIZE,2,,,10

A,3,1,2,4

SMRT,OFF

MSHK,1 ! MAPPED AREA MESH

MSHA,0,2D ! USING QUADS

AMESH,1

FINISH

/SOLU

NSEL,S,LOC,X,DI ! APPLY TEMPERATURES TO INNER AND OUTER SURFACES D,ALL,TEMP,TI

NSEL,S,LOC,X,DI+B

D,ALL,TEMP,TO

NSEL,ALL

SOLVE

FINISH

/PREP7 ! STRESS SOLUTION, STATIC ANALYSIS *** ETCHG,TTS ! CHANGE ELEMENT TYPE PLANE77 TO PLANE82 KEYOPT,1,3,1 ! AXISYMM, PRINT STRESSES ON NONZERO PRESS. FACES KEYOPT,1,6,4

MP,EX,1,EXX ! DEFINE STRUCTURAL PROPERTIES

MP,NUXY,1,0.3

MP,ALPX,1,ALPX

NSEL,S,LOC,Y,0 ! SET UP LONG CYLINDER EFFECT

D,ALL,UY

NSEL,S,LOC,Y,L

CP,1,UY,ALL ! COUPLE AXIAL DISPLACEMENTS AT UNCONSTRAINED Y EDGE NSEL,ALL

FINISH

/SOLU

NSEL,S,LOC,X,DI

SF,,PRES,P ! APPLY INTERNAL PRESSURE ON CYLINDER

NSEL,S,LOC,X,DI+B

SF,,PRES,1E-10 ! APPLY DUMMY PRESSURE FOR SURFACE PRINTOUT

NSEL,ALL

LDREAD,TEMP,,,,,,rth ! READ IN BODY FORCE TEMPERATURES

SOLVE

FINISH

/POST1

AREA=50*B

LFT_NODE = NODE (DI,0,0)

RT_NODE = NODE (DI+B,0,0)

PATH,STRESS,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "STRESS"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,-1 ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SI_M

SINT_S=SI_S

FINISH

注:GETSINT.MAC是一个提取沿指定路径进行应力线形化后,该路径上最大薄膜应力强度SI_M和最大薄膜加弯曲应力强度SI_S的宏,其清单如下:

! THIS MACRO IS USED TO CACULATE MEMBRANE AND MEMBRANE PLUS BENDING STRESS

INTENSITY ALONG DEFINED PATH

*GET,SX,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SX

*GET,SY,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SY

*GET,SZ,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SZ

*GET,SXY,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SXY

*IF,SXY,EQ,0,THEN

S1=SX

S2=SY

S3=SZ

*ELSE

S1=SZ

S2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2)

S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2)

*ENDIF

SI_M=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)

SI_M=SI_M>ABS(S3-S1)

*GET,SX,SECTION,SUM,INSIDE,SX

*GET,SY,SECTION,SUM,INSIDE,SY

*GET,SZ,SECTION,SUM,INSIDE,SZ

*GET,SXY,SECTION,SUM,INSIDE,SXY

*IF,SXY,EQ,0,THEN

S1=SX

S2=SY

S3=SZ

*ELSE

S1=SZ

S2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIF

SI_S_I=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)

SI_S_I=SI_S_I>ABS(S3-S1)

*GET,SX,SECTION,SUM,CENTER,SX

*GET,SY,SECTION,SUM,CENTER,SY

*GET,SZ,SECTION,SUM,CENTER,SZ

*GET,SXY,SECTION,SUM,CENTER,SXY

*IF,SXY,EQ,0,THEN

S1=SX

S2=SY

S3=SZ

*ELSE

S1=SZ

S2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIF

SI_S_C=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)

SI_S_C=SI_S_C>ABS(S3-S1)

*GET,SX,SECTION,SUM,OUTSIDE,SX

*GET,SY,SECTION,SUM,OUTSIDE,SY

*GET,SZ,SECTION,SUM,OUTSIDE,SZ

*GET,SXY,SECTION,SUM,OUTSIDE,SXY

*IF,SXY,EQ,0,THEN

S1=SX

S2=SY

S3=SZ

*ELSE

S1=SZ

S2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIF

SI_S_O=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)

SI_S=SI_S>SI_S_O

用类似的方法,可以对球形封头、接管等其它元件的结构尺寸进行优化。完成容器的基本结构参数的优化后,将得到的各个元件的结构尺寸作为设计条件的一部分,进行容器局部结构参数的优化。以球形封头上大开口处的补强结构为例:该补强结构的结构及尺寸如图所示.。其中,封头半径R=1834,接管半径R1=778/2=389由设计条件确定;封头壁厚B=75,接管壁厚B1=50在“优化容器基本结构参数”时确定。将该补强结构和与之相联接的封头、接管按轴对称问题进行整体参数化建模,选取8节点PLANE77(PLANE82)单元进行自由网格划分,用间接耦合法分析其在设计条件下的应力分布,选择可能出现各类最大应力组合的截面,参数化提取最大应力强度。以H1、A、B2、B3、YJ、YJ1为设计变量(DV S),筒体内的最大薄膜应力强度SINT_M≤1.5KS m、最大薄膜加弯曲应力强度SINT_S≤1.5KS m 作为状态变量(SV S),接管锻件的总体积VTOT作为目标函数(OBJ),先采用随机搜索法进行随机搜索并删除所有不合理的设计,然后用零阶方法进行优化。

分析文件清单如下:

R=1834 ! DEFINE PARAMETER

B=75

R1=389

B1=50

B2=50

B3=55

H1=400

A=60

L=1000

YJ=130

YJ1=30

TI=440

TO=400

P=11.03

SM=165

EXX=1.74E5

KXX=30

/PREP7 ! THERMAL SOLUTION ***

ANTYPE,STATIC ! STATIC ANALYSIS

ET,1,PLANE77,,,1 ! AXISYMMETRIC KEYOPT(S) OPTION

MP,KXX,1,KXX

K,1,R1,L ! DEFINE KEYPOINTS, LINES, AND AREAS

K,2,R1,0

K,3,R1+B1+B2+B3,0

K,4,R,-SQRT(R**2-(R1+B1+B2+B3)**2)

K,5,R+B,KY(4)

k,6,R1+B1+B2+B3,SQRT((R+B)**2-(R1+B1+B2+B3)**2)-SQRT(R**2-(R1+B1+B2+B3)**2)

k,7,R1+B1+B2,KY(6)

K,8,R1+B1+B2,SQRT((R+B)**2-(R1+B1+B2)**2)-SQRT(R**2-(R1+B1+B2+B3)**2)

k,9,R1+B1+B2,H1

k,10,R1+B1,H1+B2+A

k,11,R1+B1,KY(1)

L,1,2

L,2,3

LARC,3,4,2,R

L,4,5

LARC,5,8,6

L,8,9

*REPEAT,3,1,1

L,11,1

LFILLT,1,2,YJ1, ,

LFILLT,5,6,YJ, ,

AL,ALL

LSEL,S,LINE,,1,3,

LSEL,A,LINE,,10

CM,INNER,LINE ! COMPONENT NAME INNER FOR INNER SURFACES LINE LSEL,INVE

LSEL,U,LINE,,4,9,5

CM,OUTER,LINE ! COMPONENT NAME OUTER FOR OUTER SURFACES LINE LSEL,ALL

SMRT,2

MSHA,0,2D ! USING QUADS

AMESH,1

FINISH

/SOLU

CMSEL,S,INNER ! APPLY TEMPERATURES TO INNER AND OUTER SURFACES NSLL,S,1

D,ALL,TEMP,TI

CMSEL,S,OUTER

NSLL,S,1

ALLSEL,ALL

SOLVE

FINISH

/PREP7 ! STRESS SOLUTION, STATIC ANALYSIS ***

ETCHG,TTS ! CHANGE ELEMENT TYPE PLANE77 TO PLANE82

KEYOPT,1,3,1 ! AXISYMM, PRINT STRESSES ON NONZERO PRESS. FACES KEYOPT,1,6,4

MP,EX,1,EXX ! DEFINE STRUCTURAL PROPERTIES

MP,NUXY,1,0.3

MP,ALPX,1,ALPX

NSEL,S,LOC,Y,KY(4)

D,ALL,UY

NSEL,S,LOC,Y,L

CP,1,UY,ALL ! COUPLE AXIAL DISPLACEMENTS AT UNCONSTRAINED Y EDGE D,ALL,UX ! SET UP FLANGE CONSTRAINED EFFECT

NSEL,ALL

FINISH

/SOLU

NSEL,S,LOC,Y,L

SF,,PRES,-P*R1**2/((R1+B1)**2-R1**2)! APPLY PRESSURE ON PIPE END

CMSEL,S,INNER

NSLL,S,1

SF,,PRES,P ! APPLY INTERNAL PRESSURE ON INNER SURFACE CMSEL,S,OUTER

NSLL,S,1

SF,,PRES,1E-10 ! APPLY DUMMY PRESSURE FOR SURFACE PRINTOUT ALLSEL,ALL

LDREAD,TEMP,,,,,,rth ! READ IN BODY FORCE TEMPERATURES

SOLVE

FINISH

/POST1

NSEL,S,LOC,X,R1,R3 ! GET VOLUME OF NOZZLE

ESLN,S,,

ETABLE,EVOL,VOLU

SSUM

*GET,VTOT,SSUM,,ITEM,EVOL

ALLSEL,ALL

LFT_NODE = NODE (R1,KY(10),0)

RT_NODE = NODE (KX(10),KY(10),0)

PATH,P1,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "P1"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,-1 ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SI_M

SINT_S=SI_S

LFT_NODE = NODE (R1,KY(9),0)

RT_NODE = NODE (KX(9),KY(9),0)

PATH,P2,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "P2"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,-1 ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SINT_M>SI_M

SINT_S=SINT_S>SI_S

LFT_NODE = NODE (R1,KY(8),0)

RT_NODE = NODE (KX(8),KY(8),0)

PATH,P3,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "P3"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,-1 ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SINT_M>SI_M

SINT_S=SINT_S>SI_S

LFT_NODE = NODE (KX(2),KY(2),0)

LSEL,S,LINE,,11

NSLL,S,0

RT_NODE = NODE (KX(7),KY(7),0)

ALLSEL,ALL

PATH,P4,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "P4"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,R ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SINT_M>SI_M

SINT_S=SINT_S>SI_S

LFT_NODE = NODE (R1+B1+B2+B3,0,0)

RT_NODE = NODE ((R1+B1+B2+B3)*(R+B)/R,B*SQRT(R**2-(R1+B1+B2+B3)**2)/R,0)

PATH,P5,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "P5"

PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODE

PPATH,2,RT_NODE

PRSECT,R+B/2 ! PRINT LINEARIZED STRESSES

GETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SINT_M>SI_M

SINT_S=SINT_S>SI_S

FINISH

4 进一步设想

应用“结构优化法”进行压力容器应力分析设计与以往的标准方法相比,具有设计周期短,设计人员工作工作量小,容器各部分结构尺寸通过优化方法确定,有利于避免材料的浪费等优点。如果再进一步,预先编制好压力容器中常见的元件和局部结构的分析文件,和一个根据输入的设计条件和选定的元件及局部结构,自动调用相应的分析文件和优化方法,进行应力分析计算的控制程序,就可以对常规结构的压力容器自动进行应力分析计算。如果上述设想能够实现,将有力地促进压力容器应力分析设计法的普及、推广和发展。

参 考 文 献

1 美国ANSYS公司北京办事处·ANSYS基本过程手册,1998

2 美国ANSYS公司北京办事处·ANSYS建模与分网手册手册,1998

3 美国ANSYS公司北京办事处·ANSYS耦合场分析指南,1998

4 美国ANSYS公司北京办事处·ANSYS高级分析技术,1998

5 ANSYS,Inc·ANSYS Commands Reference·SAS,IP Inc,1997

6 ANSYS,Inc·ANSYS Elements Reference·SAS,IP Inc,1997

7 钢制压力容器——分析设计标准,1995

8 钢制压力容器——分析设计标准 标准释义,1995

浅析压力容器分析设计的塑性措施

引言 《压力容器》“压力容器应力分析设计方法的进展和评述”中曾介绍和评述了压力容器分析设计的弹性应力分析方法(又称应力分类法)的最新进展。本文将进一步介绍和评述压力容器分析设计的塑性分析方法,包括ASME的极限载荷分析方法、弹塑性应力分析方法和欧盟的直接方法等。 压力容器设计是一个创新意识非常活跃的工程领域,它紧跟着科学技术的发展而不断地更新设计方法。随着弹性理论、板壳理论和线性有限元分析方法的成熟,20世纪60年代,压力容器界提出了基于弹性应力分析和塑性失效准则的“弹性应力分析设计方法”。进入21世纪后,由于塑性理论和非线性有限元分析方法的日趋成熟,欧盟标准和ASME规范又先后推出了压力容器的塑性分析设计方法。其中涉及许多新的基本概念和新的分析方法,需要我们及时学习领会和消化吸收,以提高我们的分析设计水平,并结合国情进一步修订我国的压力容器设计规范。 ASME和欧盟的新规范都是以失效模式为主线来编排的。ASME考虑了以下4种模式: (1)防止塑性垮塌。对应于欧盟的“总体塑性变形(GPD)”失效模式。 (2)防止局部失效。 (3)防止屈曲(失稳)垮塌。对应于欧盟的“失稳(I)”失效模式。 (4)防止循环加载失效。对应于欧盟的“疲劳(F)”和“渐增塑性变形(PD)”2种失效模式。 欧盟还考虑了“静力平衡(SE)”失效模式,即防止设备发生倾薄。 文中讨论的塑性分析设计方法主要应用于防止塑性垮塌和防止局部失效2种情况。 1、极限载荷分析法 在一次加载情况下,结构的失效是一个加载历史过程,即随着载荷的增加从纯弹性状态到局部塑性状态再到总体塑性流动的失效状态。对无硬化的理想塑性材料和小变形情况,结构进入总体塑性流动时的状态称为极限状态,相应的载荷称为极限载荷。此时,结构变成几何可变的垮塌机构,将发生不可限制的塑性变形,因而失去承载能力。 一般的弹塑性分析方法都要考虑上述复杂的加载历史过程,但极限载荷分析法(简称极限分析)则另辟蹊径,跳过加载历史,直接考虑在最终的极限状态下结构的平衡特性,由此求出结构的承载能力(即极限载荷)。它是塑性力学的一个

压力容器设计方法分析对比.docx

压力容器设计方法分析对比 目前我国压力容器设计所采用的标准规范有两大类:一类是常规设计标准,以GB150-2011《压力容器》标准为代表;另一类是分析设计,以JB4732-1995《钢制压力容器--分析设计标准》为代表。两类标准是相互独立的、自成体系的、平行的压力容器规范, 绝对不能混用, 只能依据实际的工程情况而选其一。 设计准则比较 常规设计主要依据是第一强度理论,认为结构中主要破坏应力为拉应力,限定最大薄膜应力强度不超过规定许用应力值,当结构中某最大应力点一旦进入塑性, 结构就丧失了纯弹性状态即为失效。常规设计是基于弹性失效准则,以壳体的薄膜理论或材料力学方法导出容器及其部件的设计计算公式。一般情况它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力,对于边缘应力及峰值应力等局部应力一般不作定量计算,如对弯曲应力。 分析设计的主要依据是第三强度理论,认为结构中主要破坏应力为剪切力。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“弹塑性失效”的设计准则,对容器的各种应力进行精确计算和分类。对不同性质的应力, 如:总体薄膜应力、边缘应力、峰值应力等;同时还考虑了循环载荷下的疲劳分析, 在设计上更合理。 标准适用范围对比 常规设计标准GB150-2011适用于设计压力大于或等于且小于35MPa,及真空度高于。对于设计温度,GB150-2011规定为-269℃-900℃,是按钢材允许的使用温度确定设计温度范围, 可高于材料的蠕变温度范围。 " 分析设计标准JB4732-1995适用于设计压力大于或等于且小于100MPa,及真空度高于。对于设计温度,JB4732-1995 将最高的设计许用温度限制在受钢材蠕变极限约束的温度。 应力评定对比 常规设计标准GB150-2011,采用统一的许用应力,如容器筒体,是采用“中径公式”进行应力校核,最大应力满足许用应力即可。 分析设计标准JB4732-1995的核心是将压力容器中的各种应力加以分类,根据所考虑的失效模式比较详细地计算了容器及受压元件的各种应力。根据各种应力本身的性质及对失效模式所起的不同作用予以分类如下: 一次应力

压力容器的疲劳分析及设计

压力容器的疲劳分析及设计 摘要:随着石油化工和其他工业的迅速发展,元件结构和载荷的日趋复杂,疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳问题已引起足够重视,但疲劳破坏事故仍然不断发生。所以,对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。 关键词:压力容器疲劳分析设计 一、背景 国际标准化组织(ISO)在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做的定义是:“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”这一描述也普遍适用于非金属材料。 对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看,疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关,但从宏观上看,在循环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,此时疲劳寿命较长,称为应力疲劳或高周疲劳;在循环加力水平较高时,塑性应变起主导作用,此时疲劳寿命较短,称为应变疲劳或低周疲劳,压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。 二、材料疲劳缺陷产生的原因 压力容器发生疲劳破坏的时候,一般没有明显的塑性变形的标志出现,这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值,发生了晶粒滑移,随着载荷的不断往复作用,晶粒逐渐从高应力集中区分散开,从而产生了裂纹,这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。 压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域: 1.开孔接管区域,这边由于开孔之后,材料缺失,这部分及其容易形成应力集中区,从而导致产生疲劳缺陷。 2.支座连接区及封头连接区域,这部分是由于焊接之后,产生的各种问题,导致应力集中,同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快,这样更容易产生应力的集中,从而容易导致疲劳缺陷。 3.压力容器的总体区域,在这些区域中一些原始的缺陷:如焊接的残余应力,容器板材加工过程中的应力,都可能导致应力的集中,从而产生疲劳缺陷。 为了解决这些问题,需要在设计时,从各个方面来对这些问题进行处理。

管道应力分析报告概述

管道应力分析概述 CAESARII软件介绍 CAESARII管道应力分析软件是由美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件。它既可以分析计算静态分析,也可进行动态分析。CAESARII向用户提供完备的国际上的通用管道设计规范,使用方便快捷。交互式数据输入图形输出,使用户可直观查看模型(单线、线框,实体图)强大的3D计算结果图形分析功能,丰富的约束类型,对边界条件提供最广泛的支撑类型选择、膨胀节库和法兰库,并且允许用户扩展自己的库。钢结构建模,并提供多种钢结构数据库.结构模型可以同管道模型合并,统一分析膨胀节可通过标准库选取自动建模、冷紧单元/弯头,三通应力强度因子(SIF)的计算、交互式的列表编辑输入格式用户控制和选择的程序运行方式,用户可定义各种工况。 一、管道应力分析的原则 管道应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道因热胀冷缩、管道支承或端点附加位移造成应力问题。 二、管道应力分析的主要内容 管道应力分析分为静力分析和动力分析。 静力分析包括: 1)压力荷载和持续荷载作用下的一次应力计算——防止塑性变形破坏; 2)管道热胀冷缩以及端点附加位移等位移荷载作用下的二次应力计算——防止疲劳破坏; 3)管道对设备作用力的计算——防止作用力太大,保证设备正常运行; 4)管道支吊架的受力计算——为支吊架设计提供依据; 5)管道上法兰的受力计算——防止法兰汇漏。 动力分析包括:

l)管道自振频率分析——防止管道系统共振; 2)管道强迫振动响应分析——控制管道振动及应力; 3)往复压缩机(泵)气(液)柱频率分析——防止气柱共振; 4)往复压缩机(泵)压力脉动分析——控制压力脉动值。 三、管道上可能承受的荷载 (1)重力荷载:包括管道自重、保温重、介质重和积雪重等; (2)压力荷载:压力载荷包括内压力和外压力; (3)位移荷载:位移载荷包括管道热胀冷缩位移、端点附加位移、支承沉降等; (4)风荷载; (5)地震荷载; (6)瞬变流冲击荷载:如安全阀启跳或阀门的快速启闭时的压力冲击: (7)两相流脉动荷载; (8)压力脉动荷载:如往复压缩机往复运动所产生的压力脉动; (9)机械振动荷载:如回转设备的振动。 四、管道应力分析的目的 1)为了使管道和管件内的应力不超过许用应力值; 2)为了使与管系相连的设备的管口荷载在制造商或国际规范(如 NEMA SM-23、API-610、API-6 17等)规定的许用范围内; 3)为了使与管系相连的设备管口的局部应力在 ASME Vlll的允许范围内; 4)为了计算管系中支架和约束的设计荷载;

压力容器分析设计习题

第一章 1、固体力学有那几个基本假设?有何意义? 答:a、均匀性假设 b、各向同性假设 c、连续性假设 d、小变形假设 e、完全弹性假设 2、什么叫弹性、弹性变形? 答、结构受外载荷后产生变形,这些变形在载荷除去后又能回复到原状的特性称为弹性; 产生的这种能够回复的变形称为弹性变形! 3、什么是载荷?什么是交变载荷? 答:物体之间的相互机械作用叫做载荷,随时间做交替变换的载荷称作交变载荷 4、举出作用在压力容器上的表面力与体积力、约束反力是否是外力? 答: 5、内力和应力有什么区别?求解应力的目的是什么? 答:应力是用来衡量内力分布规律,求解应力就是为了控制它的大小,使结构不至发生破坏 6、什么是全应力、正应力和剪应力?给出确切的定义、并以图示之。 答: 7、截面法的含义与用途是什么? 答:用截面法求出截面上与外力相平衡的内力素,再求出应力在该截面上各点的应力分布规律 8、在用截面法之前是否可以把外力沿力的作用线移动?试举例说明。 答:不可以 9、仅有位移是否能够描述某点的变形状态?为什么? 答:不能,还需要转角,还有线应变和角应变 10、角位移和角应变有什么不同? 答:角位移即转角,指物体内某一截面或者线段在物体变形后相对于初始形状所转过的角度称为角位移,角应变的定义是在物体变形前交与某点的两条互为90°的直线在变形后的所改变的角度。 11、通过截面内力素情况,定义杆件受载形式 12、内力系存在并且是唯一的条件是什么 答:需要满足平衡方程和变形连续条件。 第二章 1、在轴向拉伸与压缩时,垂直于杆轴截面上的应力如何分布? 答:均匀分布。 2、对于比较细长的杆件,拉伸与压缩是否就意味着轴力N的符号相反? 3、何谓平截面假定?它将导致截面上应力如何分布。 答:变形前物体界面上的所有特征变形后还是处于同一个平面,这个假设能保证界面上的应力为线性分布。

压力容器应力分析设计方法的进展和评述

压力容器应力分析设计方法的进展和评述 压力容器的使用范围非常的广泛,在此基础上,我们一定更加重视其使用的效果。其中,压力容器应力分析是重要的工作,所以,讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品,由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。 分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用

理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、

压力容器应力分析设计方法的进展和评述优选稿

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压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛,在此基础上,我们一定更加重视其使用的效果。其中,压力容器应力分析是重要的工作,所以,讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品,由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理 论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿 命控制最大总应力,以防止循环失效等。 2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。 综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法 和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME 新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为:

生活中的材料力学实例分析

生活中的材料力学实例分析 一意义 材料力学主要研究杆件的应力、变形以及材料的宏观力学性能的学科。材料力学是固体力学的一个基础分支。它是研究结构构件和机械零件承载能力的基础学科。其基本任务是:将工程结构和机械中的简单构件简化为一维杆件,计算杆中的应力、变形并研究杆的稳定性,以保证结构能承受预定的载荷;选择适当的材料、截面形状和尺寸,以便设计出既安全又经济的结构构件和机械零件。 二对象 材料力学的研究通常包括两大部分:一部分是材料的力学性能(或称机械性能)的研究,材料的力学性能参量不仅可用于材料力学的计算,而且也是固体力学其他分支的计算中必不可少的依据;另一部分是对杆件进行力学分析。杆件按受力和变形可分为拉杆、压杆受弯曲(有时还应考虑剪切)的粱和受扭转的轴等几大类。杆中的内力有轴力、剪力、弯矩和扭矩。杆的变形可分为伸长、缩短、挠曲和扭转。在处理具体的杆件问题时,根据材料性质和变形情况的不同,可将问题分为线弹性问题、几何非线性问题、物理非线性问题三类。 材料力学不仅在复杂机械工程中有重要的作用,在生活中也很常见。比如随处可见的桥梁,桥是一种用来跨越障碍的大型构造物。确切的说是用来将交通路线 (如道路、铁路、水道等)或者

其他设施 (如管道、电缆等)跨越天然障碍 (如

河流、海峡、峡谷等)或人工障碍 (高速公路、铁路线)的构造物。桥的目的是允许人、车辆、火车或船舶穿过障碍。桥可以打横搭着谷河或者海峡两边,又或者起在地上升高,槛过下面的河或者路,让下面交通畅通无阻。 三分析

如果在安全的前提下,将原来的四个桥墩和三个拱形拉索变为三个桥墩和两个拱形拉索。不仅可以节约大量的材料,降低成本,而且有美观。 四总结 因此,材料力学是一门很有用的学科,能够处理各种各样复杂的问题。只要注意观察,生活中处处有材料力学的踪影。利用材料力学的知识对我们身边的事物进行分析并加以改进,对我们的生活和社会的发展能起到积极的促进作用。 (注:专业文档是经验性极强的领域,无法思考和涵盖全面,素材和资料部分来自网络,供参考。可复制、编制,期待你的好评与关注)

浅谈压力容器的疲劳分析及设计

浅谈压力容器的疲劳分析及设计 随着石油化工和其他工业的迅速发展,元件结构和载荷的日趋复杂,疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳问题已引起足够重视,但疲劳破坏事故仍然不断发生。所以,对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。本文主要是对压力容器出现疲劳的原因及其设计进行分析论述。 标签:压力容器;疲劳;设计 压力容器的破坏形式有很多种,如脆性、韧性破坏,介质腐蚀破坏等。疲劳损傷有别于其他损伤模式,日常检查不容易发现,并且引发的事故突然,因此具有极大的潜在危害性,设备管理者应对其高度重视。 对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看,疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关,但从宏观上看,在循环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,此时疲劳寿命较长,称为应力疲劳或高周疲劳;在循环加力水平较高时,塑性应变起主导作用,此时疲劳寿命较短,称为应变疲劳或低周疲劳,压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。下文将对压力容器疲劳的相关内容进行详细的论述。 1 压力容器疲劳缺陷产生的原因 压力容器发生疲劳破坏的时候,一般没有明显的塑性变形的标志出现,这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值,发生了晶粒滑移,随着载荷的不断往复作用,晶粒逐渐从高应力集中区分散开,从而产生了裂纹,这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。 压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域: 第一,开孔接管区域,这边由于开孔之后,材料缺失,这部分及其容易形成应力集中区,从而导致产生疲劳缺陷。 第二,支座连接区及封头连接区域,这部分是由于焊接之后,产生的各种问题,导致应力集中,同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快,这样更容易产生应力的集中,从而容易导致疲劳缺陷。 第三,压力容器的总体区域,在这些区域中一些原始的缺陷:如焊接的残余应力,容器板材加工过程中的应力,都可能导致应力的集中,从而产生疲劳缺陷。 为了解决这些问题,需要在设计时,从各个方面来对这些问题进行处理。 2 压力容器的疲劳设计分析

应力分析及疲劳分析报告

预处理塔应力分析及疲劳分析报告 编制: 校对: 审核: 全国压力容器标准化技术委员会 一九九八年九月

一、载荷分析 1.用户数据 根据XX设计院所提供的设计图,计算基础数据如下: 预处理塔容器的结构参数见附图1: 2.计算条件 (1) 强度计算条件: 材料在计算温度下的常数: 材料在常温(20℃)下的常数: 注[1]:设计应力强度及弹性模量按JB4732-95

(2) 疲劳计算条件: 载荷与时间的关系示意如下: 时间

二、结构分析 根据预处理塔的结构特点,应进行上封头、下封头及筒体开 孔三部分的应力分析,分别建立力学模型如下: 1.上封头部分: (1)力学模型 根据上封头的结构特点和载荷特性,采用了轴对称的力学模型。 图1:预处理塔上封头力学模型 (2)边界条件 预处理塔上封头边界条件的位置和方向如图1所示。 位移边界条件:

与筒体相连且在Y=0处: Y=0 力边界条件: 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.877MPa。 (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元(82)进行网格划分(如图1)。 2. 下封头部分: (1)力学模型 根据下封头的结构特点和载荷特性,采用了轴对称的力学模型。

图2:预处理塔下封头力学模型 (2)边界条件 预处理塔下封头边界条件的位置和方向如图2所示。 位移边界条件: 裙座根部:?Y=0 力边界条件: 壳体内压P=0.85MPa。 中心接管处的边界等效压力P=8.93MPa, 托架处(壳内物料重)的边界等效压力P=1.54MPa, 筒体直边端处的边界等效压力P=2.72MPa, (3) 单元选择 采用ANSYS 5.4有限元分析软件提供的轴对称8节点等参元(82)进行网格划分(如图2)。 3.筒体开孔部分: (1)力学模型 根据筒体的结构特性和载荷特性,力学模型关于XOZ平面近似对称(无开孔部分为应力均匀区),关于YOZ平面对称,只需计算结构的四分之一。 (2) 边界条件 柱壳开孔边界条件的位置和方向如图3所示。 位移边界条件:轴对称约束;Z=0时,?Z=0 力边界条件:壳体内压P=0.85MPa;筒体端的边界等效应力为:52.91MPa, 筒体端的边界等效应力为:3.94 (3) 单元选择

Solidworks应力分析实例

基于Solidworks 软件的应力分析 Solidworks 中有限元分析插件CosMos/Works 分析零件的静力学性能,得出载荷分布情况,定性的分析极限载荷(这里指的是最大扭矩)下的应力,应变分布及其安全性能。 其分析流程如下: 1、建立一个简化的分析模型; 2、指定材料、元素和截面; 3、加约束和载荷; 4、设定网格; 5、执行分析; 6、结果显示; 7、生成研究报告。 分析对象 电机轴及啮合处的变速器输入轴,离合器花键轴及啮合处的离合器从动盘,电机轴和离合器花键轴之间的联接螺栓(M12x40,10.9级)。 材料 目前公司所用的变速器输入轴材料为20CrMnTi ,考虑其受力情况,材料不一致,其强度就会不一样,容易导致强度差的失效,因此根据目前情况,电机轴和离合器花键轴均选用20CrMnTi 。 20CrMnTi 用于制作渗碳零件,渗碳淬火后有良好的耐磨性和抗弯强度,有较高的低温冲击韧性,切削加工性能良好,承受高速、中载或重载以及冲击和摩擦的主要零件。 对于截面为15的样件,经过第一次淬火880℃,第二次淬火870℃,油冷;在经过回火200℃,水冷和空冷。得到的力学性能:抗拉强度MPa b 1080=σ,屈服强度MPa s 835=σ,伸长率(式样的标距等于5倍直径时的伸长率)%105=δ,断面收缩率%45=ψ,冲击韧度2/55cm J A kU =,硬度217HB 。

对于截面尺寸小于等于100的样件,经过调质处理,力学性能:抗拉强度 MPa b 615=σ,屈服强度MPa s 395=σ,伸长率%175=δ,断面收缩率%45=ψ, 冲击韧度2/47cm J A kU =。本分析还要使用到的参数:泊松比25.0=μ,抗剪模量G=7.938GPa ,弹性模量E=207GPa ,密度23/108.7m N ?=ρ。 螺栓联接受力分析 螺纹联接根据载荷性质不同,其失效形式也不同。受静载荷螺栓的失效形式多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断;受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的疲劳断裂;对于受横向载荷的绞制孔用螺栓联接,其失效形式主要为螺栓杆被剪断,螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。 对于10.9级M12的普通螺栓,屈服强度MPa s 900=σ,拧紧力矩T=120N.m 。 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动,装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T 用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩擦力矩T2,装配时可用力矩扳手法控制力矩。 公式: d * F *K =T2+T1=T 0 拧紧扳手力矩T=120N.m ,其中K 为拧紧力矩系数,0 F 为预紧力N ,d 为螺 纹公称直径12mm 。 摩擦表面状态 K 值 有润滑 无润滑 精加工表面 0.1 0.12 一般工表面 0.13-0.15 0.18-0.21 表面氧化 0.2 0.24 镀锌 0.18 0.22 粗加工表面 - 0.26-0.3

压力容器应力分析设计方法的进展和评述

压力容器应力分析设计方法的进展和评述 姓名:XXX 部门:XXX 日期:XXX

压力容器应力分析设计方法的进展和评述压力容器的使用范围非常的广泛,在此基础上,我们一定更加重视其使用的效果。其中,压力容器应力分析是重要的工作,所以,讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。世界各国均将其列为重要的监检产品,由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。分析设计方法 在ASME老版中分析设计方法的全称是“以应力分析方法为基础的设计”,简称“应力分析设计”,再简称为“分析设计”。它的特点是: 2.1.要求对压力容器及其部件进行详细的弹性应力分析。可以采用理论分析、数值计算或试验测定来进行弹性应力分析。 2.2.强度校核时采用塑性失效准则。包括用极限载荷控制一次应力,以防止整体塑性垮塌失效。用安定载荷控制一次加二次应力以及用疲劳寿命控制最大总应力,以防止循环失效等。 第 2 页共 6 页

2.3.根据塑性失效准则对弹性应力进行分类。 2.4.根据等安全裕度原则确定危险性不同的各类应力的许用极限值。综合起来可以说,“应力分析设计”是一种以弹性应力分析和塑性失效准则为基础的应力分类设计方法。近年来被简称为“应力分类法”。早期(老版中)的“分析设计”只包含这一种方法。随着先进的力学分析方法和手段的不断成熟(即其有效性和可靠性达到实际工程应用的水平),ASME新版和欧盟标准都及时地扩充了“分析设计”采用的方法,同时对“分析设计”的含义也有所调整。最突出的表现为: 2.4.1.从弹性应力分析扩充到弹塑性分析。和应力分类法(弹性应力分析方法)并行地提出了弹塑性分析方法和极限载荷分析方法(ASME)或直接法(欧盟)。 2.4.2.把能够给出显式表达式的解析解都调整到“规则设计”中,“分析设计”只规定通用性强的数值分析方法。另一方面,在“规则设计”公式的强度校核中又引入了应力分类的思想。 随着时间的推移和科学的发展,“分析设计”的方法和内容还会有新的扩充和调整。在现阶段可以说,“分析设计”是一种以塑性失效准则为基础、采用先进力学分析手段的压力容器设计方法。先进的材料、工艺和检测水平是保证分析设计能得以实施的前提条件。应力分类法 3.1.应力分类法是当今分析设计的主流方法 应力分类法有如下优点: 3.1.1.简单。采用工程设计人员非常熟悉的弹性应力分析方法。应力评定时直接给出各类等效应力的许用值,因而应力分类后的强度校核与常规设计类似。 第 3 页共 6 页

压力容器应力分析设计方法的进展和评述通用版

安全管理编号:YTO-FS-PD389 压力容器应力分析设计方法的进展和 评述通用版 In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards

压力容器应力分析设计方法的进展 和评述通用版 使用提示:本安全管理文件可用于在生产中,对保障劳动者的安全健康和生产、劳动过程的正常进行而采取的各种措施和从事的一切活动实施管理,包含对生产、财物、环境的保护,最终使生产活动正常进行。文件下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用。 压力容器的使用范围非常的广泛,在此基础上,我们一定更加重视其使用的效果。其中,压力容器应力分析是重要的工作,所以,讨论压力容器应力分析设计工作很有必要。 压力容器概述 1.1.概念 所谓的压力容器是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热器和分离器均属压力容器。 1.2.用途 压力容器的用途十分广泛。它是在石油化工学、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外,还配有安全装置、表计及完全不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、

ANSYS压力容器应力分析中

ANSYS压力容器应力分析中,列表应力名称问题 1. ** MEMBRANE ** 代表PL? 2. ** BENDING ** 代表PB? 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB? 4. ** PEAK ** 代表F? 5. ** TOTAL ** 代表? 注: (因为JB4732中规定,判定各种应力许用极限的参数有 一次总体薄膜应力强度SⅠ(由Pm算得); 一次局部薄膜应力强度SⅡ(由PL算得); 一次薄膜加一次弯曲应力强度SⅢ(由PL+PB算得); 一次加二次应力强度SⅣ(由PL+PB+Q算得); 峰值应力强度SⅤ(由PL+PB+Q+F算得) Pm是一次总体薄膜应力, PL是一次局部薄膜应力; PB是一次弯曲应力; Q是二次应力; F是峰值应力) Pm是一次总体薄膜应力, PL是一次局部薄膜应力; PB是一次弯曲应力;

Q是二次应力; F是峰值应力) 1. ** MEMBRANE ** 代表PL? 2. ** BENDING ** 代表PB? 3. ** MEMBRANE PLUS BENDING ** 代表PL+PB? 4. ** PEAK ** 代表F? 5. ** TOTAL ** 代表? ANSYS后处理应力线性化得到的结果中: ** MEMBRANE **代表薄膜应力,可能是一次总体薄膜应力也可能是一次局部薄膜应力。 ** BENDING **代表弯曲应力,可能是一次弯曲应力也可能属于二次应力。 ** MEMBRANE PLUS BENDING **根据前2者可能是一次薄膜+一次弯曲(1.5kSm),也可能是一次+二次应力(3 kSm) ANSYS只能把应力根据平均应力、线性化应力和非线性化应力来区分薄膜应力弯曲应力和峰应力,而不能分出总体薄膜应力和局部薄膜应力,一次应力还是二次应力。这需要你根据JB4732和ASME VIII-2的标准自己去判断** MEMBRANE **,** BENDING **,** MEMBRANE PLUS BENDING **的类别。

压力容器分析设计

永远不说永远,从来不说重来,生命不相信如果,不要让每一次过错与错过都重新来过 目录 第1章引言1 第2章概述3 2.1 分析设计直接法概述3 2.2 术语和定义5 2.2.1 与失效相关的术语5 2.2.2 与载荷有关的术语9 2.2.3 与模型有关的术语13 2.2.4 与厚度相关的术语15 2.2.5 与响应相关的术语15 2.2.6 与设计校核有关的术语17 2.3 载荷特征值和特征函数概述21 2.3.1 承压设备指令中的要求21 2.3.2 根据PED要求得到的载荷特征值和特征函数22 2.4 设计模型和本构关系概述24 2.4.1 设计模型24 2.4.2 材料本构关系概述26 第3章设计校核与载荷工况33 3.1 设计校核33 3.2 载荷工况34 3.3 步骤38 3.3.1 步骤一建立载荷工况清单38 3.3.2 步骤二建立设计校核表39 3.3.3 步骤三建立设计模型40 3.3.4 步骤四进行校核40 3.3.5 步骤五结论41 3.4 工程实际案例41 第4章总体塑性变形设计校核(GPD-DC)42 4.1 前言42 4.2 步骤44 4.3 设计模型45 4.4 载荷设计值48 4.5 原理49 4.6 应用准则51 4.7 工程实际案例51 第5章渐增塑性变形设计校核(PD-DC)52 5.1 引言52 5.2 步骤57

5.3 设计模型58 5.4 载荷设计函数60 5.5 原理60 5.6 应用准则61 5.7 工程实际案例63 第6章稳定性设计校核(S-DC)64 6.1 引言64 6.2 步骤73 6.3 设计模型73 6.4 载荷设计值与载荷设计函数75 6.5 原理76 6.6 应用准则76 6.7 工程实际案例76 第7章疲劳设计校核(F-DC)77 7.1 引言77 7.1.1 疲劳设计校核概述77 7.1.2 未焊接区域循环疲劳设计校核概述79 7.1.3 焊接区域疲劳设计校核(F-DC)概述84 7.2 步骤88 7.3 设计模型89 7.3.1 焊接区的要求89 7.3.2 未焊接区要求89 7.3.3 焊接区与非焊接区的通用要求89 7.4 载荷设计值和设计函数90 7.5 原理91 7.6 未焊接区的修正系数91 7.6.1 塑性修正系数91 7.6.2 有效应力集中系数93 7.6.3 表面粗糙度修正系数94 7.6.4 厚度修正系数94 7.6.5 平均应力修正系数95 7.6.6 温度修正系数95 7.7 焊接区域的修正系数96 7.7.1 塑性修正系数96 7.7.2 厚度修正系数96 7.7.3 温度修正系数97 7.8 设计疲劳曲线97 7.8.1 焊接区域的设计疲劳曲线97 7.8.2 非焊接区域的设计疲劳曲线98 7.9 循环计数98 7.9.1 概述98 7.9.2 水库循环计数法99

压力容器接管应力分析ansys命令流

! ***************环境设置************************ finish /clear /filn, E42 /title, FEA of connecting zone of nozzle to cylinder /units,si !采用国际单位制 ! ********* 参数设定********* Rci=1000 ! 筒体内半径 tc=30 ! 筒体厚度 Rco=Rci+tc ! 筒体外半径 Lc=4000 ! 筒体长度 Rno=530 ! 接管外半径 tn=15 ! 接管厚度 Rni=Rno-tn ! 接管内半径 Li=193 ! 接管内伸长度 Ln=500 ! 接管外伸长度 rr1=30 ! 焊缝外侧过渡圆角半径 rr2=15 ! 焊缝内侧过渡圆角半径 pi=1.2 ! 内压 pc=pi*Rci**2/(Rco**2-Rci**2) ! 筒体端部轴向平衡面载荷 !****************前处理*************************** /prep7 et,1,95 ! 定义单元类型 mp,ex,1,2e5 ! 定义材料的弹性模量 mp,nuxy,1,0.3 ! 定义材料的泊松比 !****************建立模型*************************** cylind,Rco,Rci,0,-Lc/2,90,270, ! 生成筒体 wpoff,0,0,-Lc/2 ! 将工作面沿-Z向移动Lc/2 wprot,0,90, ! 将工作面沿yz旋转90度 cylind,Rno,Rni,-Ln-Rci-tc,-Rci+Li,90,180, ! 生成接管 vovlap,all ! 体overlap布尔运算 vsel,s,,,7 ! 选择筒体 *afun,deg ! 设定角度函数中单位为角度 ang1=2*nint(asin(Rno/Rci)) ! 计算接管区切割角度 wprot,0,0,-90+ang1 ! 旋转坐标系 vsbw,all ! 切割筒体 afillt,21,12,rr1 ! 筒体与接管外表面圆角 afillt,23,35,rr2 ! 筒体内表面与接管外表面圆角 afillt,14,25,rr2 ! 生成下辅助过渡圆角 afillt,13,19,rr1 ! 生成上辅助过渡圆角 alls askin,91,64 ! 根据接管外过渡圆角在接管内外表面上的交线蒙面vsba,4,13 ! 切割外伸接管 askin,83,72 ! 根据接管内过渡圆角在接管内外表面上的交线蒙面

基于有限元ANSYS压力容器应力分析报告

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

压力容器分析设计分析

1 问题描述 利用ANSYS软件对压力容器用标准椭圆形封头和半球形封头进行应力分析,并沿着压力容器轴向方向绘制笛卡尔坐标系下X、Y、Z方向应力曲线,三个主应力曲线以及第一强度理论,第三强度理论、第四强度理论计算方法下的应力理论值和应力曲线。 相关参数:筒体内径:400mm,筒体长度为1000mm,筒体、封头厚度均为5mm,材料弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,内压P=1MPa。 2 建模过程: 单元选取:本题研究的是薄壁压力容器,对于薄壁结构,最好是选用shell单元,shell单元可以减少计算量。而且,如果选实体单元,薄壁结构承受弯矩的时候,如果在厚度方向的单元层数太少,有时候计算结果误差比较大,反而不如shell单元计算准确。 材料特性:ANSYS 结构分析材料属性有线性 (Linear)、非线性 (Nolinear)、密度(Density)、热膨胀 (Thermal Expansion)、阻尼 (Damping)、摩擦系数 ( Friction Coefficient)、特殊材料 (Specialized Materials) 等七种。本题选取材料模型为线弹性材料,材料参数E=206GPa,μ=0.3。 几何建模:本题采用实体建模,该方法适合于复杂模型,尤其适合于3D实体建模,需人工处理的数据量小,效率高。允许对节点和单元实施不同的几何操作,支持布尔操作(相加、相减、相交等),支持ANSYS优化设计功能,可以进行自适应网格划分,可以进行局部网格划分,便于修正与改进。本题采用的是从下往上的建模方式。先建立点,再连线画圆,然后将线沿轴线旋转,得到压力容器模型,上封头为标准椭圆形封头,下封头为球形封头。 网格划分:对有限元分析,ANSYS有四种网格划分方法,自由网格划分、映射网格划分,延伸网格划分和自适应网格划分。本题采用自由网格划分,自由网格划分功能十分强大,没有单元形状的限制,网格也不遵循任何的模式,因此适用于对复杂形状的面和体网格划分。对面进行网格划分,自由网格可以有四边形单元组成,或是只有三角形单元组成。相比之下,四边形单元对本模型计算精度更高一些。因而本次网格划分,采用四边形划分。 载荷、约束施加:本题研究的压力容器所受压力为内压,承受的压力值为1MPa。因而设定压力值为1MPa。为了防止容器移动,需要给其施加约束。为满足需要,选定容器封头上一个节点,施加全约束。 而后选择分析方法,本题采取的是结构静力学分析,接着,计算处理,读取相应应力曲线与应力值。 3 结果分析 3.1 椭圆形封头应力分析 如图1所示,从椭圆封头顶点开始,逐一选取所有的节点,定义路径,然后沿着该路径画出各应力分布图,进而分析应力沿着该路径的分布情况。

压力容器焊接应力的消除

压力容器焊接应力的消除 前言 压力容器是工业生产过程中必不可少的重要设备,它广泛应用于化工、炼油、机械、动力、核能以及运输等工业部门。随着工业不断发展, 压力容器的操作条件越来越苛刻,压力从高真空到几万个大气压,温度从超低 温到几千度,尺寸也越来越大,某反应堆容器内径达6m多,结构也越采越复杂。同时,压力容器所处理的介质往往又是易燃易爆或有毒的,一旦发生事故,将给国家财产和人民生命带来不可估量的损失。所以加强压力容器的制造质量控制是非常必要的。 1、焊接应力产生的机理及危害 压力容器制造中,焊接和热处理是制造工艺中的关键工序。在焊接过程中,存 在着三种附加的内应力,即焊接接头各部位受热及冷却速度不同产生的热应力;金相组织变化产生的组织应力和施焊时容器结构本身的约束产生的拘束应力.如果焊接工艺控制不当,这些应力过大将导致裂纹萌生。另外,由于材料的冷热加工成型工艺不当,将使受压部件韵成型尺寸超差,若 再采用强制组装焊接的方法,还将引起附加的强制组装应力。这些应力在一定条件下,影响着焊接结构的性能。同时,对于某些结构件,所采用的焊接方法、焊接位置和焊接工艺的不同,往往会引起焊接时产生轻微的空冷硬化现象.如效果。 据报导,美国1984年发生的一起单乙醇胺(MEA)吸收器容器焊接接头破坏事故,导致17人死亡,财产损失超过一亿美元。该容器为圆筒形,直径为2.6m,长度为16M,壁厚为25.4mm,是按照美国机械工程师学会(ASME) 规程中的部分规定设计制造的,该容器主要充装丙烷和硫化氢,工作温度为37.8'C,内压为10PMa。据198S年发表的研究报告中公布的结果,其中一个原因就 是因为该容器焊后来经热处理(这是因为ASME规程中没有规定),结果,焊接热影响

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