基于ANSYS对压力容器管板的有限元分析

pananfu

序言
压力容器管板是压力容器重要部件，根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个箱管结构的应力分析起着决定性的作用。然而J摺佣解析法对压力容器管板所受的应力和应变情况分析，解析误差太大。采用ANSYS有限元分析软件建立压力容器管板的有限元模型，加载求解进行应力场分析对算出压力容器管板的最大应力泣变，利用ANSYS的有限元分析和计算机图形学功能显示三维应力等值面应移等值面，从而为压力容器管板机构的优化分析提供了充分的理论依据。
1 基本分过程
1.1创建有限元模型
本文选用一种U型管式的压力容器来建模，管板材料选用20MuMo锻件。球形封头材料16MnR，材料的弹性模量E=20E+05MPa.泊松比为03，密度为7.8t/m3，设计压力P=31.4MPa，许用应力为196MPa。
( @4 Q3 S; y2 m( D在压力容器的应力的分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。另外由于压力容器是轴对称结构，所以可选其一半结构来建模。为了节省时间和存储空间，而又不影响分析结果，根据其结构，略去一些细节。其中管孔对于管板强度的削弱，可以采用有效弹性模量E1和有效泊松比V1的概念将管板折算为同厚度的当量无孔圆平板，因此管板区域分为两大部分，1区按等效圆板来处理，而2区按实际悄况处理。根据相关文献得到E1=054F,V1=0360综上所述，所得简化后有限元分析模型如图1所示:

' K8 t" Y  W! ?9 Q& D图1 有限元分析模型
5 z/ s. }+ [( P9 l# c; L" w1.2网格划分
通常ANSYS的网格划分有两种方法，即自由划分和映射划分。自由划分网格主要用于划分边界形状不规则的区域，分析稍度不够高，但要求划分的区域满足一定的拓补条件。奕淞」分网格主要适合与敖钡臼形体，分析精度高。鉴于压力容器管板的结构特点，本文同时采用了这两种方法。在非边界区域采用醉编寸网格划分，在边界区域及梢度要求不是很高的区域采用自由网格划分。四边形网格单元采用8节点的SOLID82.三边形网格单元采用6节点的SOLID Triangle 6node2。SOLID82有相容的位移形枕适用于曲线边界的建模。它们每个节点有三个自由度:沿结点坐标X.Y.Z方向的平动SOLID82有塑性、蠕变、应力强化、大变形和力立变的功能。在管板与封头联接出是立力比较集中，此处采用三边形网格加密。共有1265个单元，3994个节点。
. E$ {# H$ s5 e# o+ F. }2 v# N1.3约束条件和施加载荷
边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分衫潞果的正确性、合理性。由于压力容器的应力分析是以线代替面，而且是取一半进行分析，所以在端面处施加X方向约束和管孔处施加Y方向约束。整个管程承受压力，所以在线上施加面载荷P=31.4MP，如图2所示:
+ w+ h2 R# v, ^  ^3 d
( }' k$ s( ?  m/ j1.4 计算结果及分析
在这一步,ANSYS将对自动划分的每一单元的节点进行讨算，建立的方程很多，需要一定的时间，所得的结果很大。在结构分析完蒯舌，可进人通用后处理器和时间历程后处理器中浏览分析结果。图3和图4分别为压力容器管板的应力分布和位移分布图。


% q% X1 |8 x' @0 S( R# [由节点应变分布图显示最大变形出现在球形封头的最顶端，其值达到0.547~0.549。
5 q) t" Y  f4 d7 Z) c次大值出现在管板的左端面处，也达到0.5mm左右。这与实际变形情况是相吻合的。事实上这也体现出管板的左端面的变形情断夕寸整个箱管结构的应力分析起央起的作用，管板的厚度及管板的外半径参数的选择对结构的优化有着很重要的意义。由节点应力分布图可知最大应力出现在管板与球形封头联接处.其等效应力最大值为144.16MPa,其他部位受力情况较均匀，这与实际情况是相吻合的。综合上述分析，有限元模型的建立、分析结果是客观的，较为真实地反映了压力容器管板的受力情况。
2 小结
! w7 |5 m8 c: c/ ^# D) k7 Z本文的意义在于:
2.1 用有限元分析法变连续结构为离散结构，取代了传统的理论分析。通过ANSYS软件可以比较情确地反映各点的受力情况，为压力容器的结构优不创是供充分的理论数据。
8 c8 I3 p. }( |3 g2.2 虽然在面载荷的作用下产生的等效应力小于其材料的许用应力值（196MPa）,但管板与封头联接出应力集中，是个危险部位，封头变形和管板左端面变形较大，故其有强度和刚度都不卜分充足的缺陷，有必要对压力容器管板进行结构改进，以减轻重量、改善性能、节约成本。
2.3 动态演示出压力容器管板变形的过程，并可借助于后处理器绘出相应的变化曲线，使设针者清楚地掌握其变不扮规律和变化特征。
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