基于有限元ANSYS的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

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 150 MPa 1.92×10³MPa μ=0.3

锻钢Q345 ≤100mm 185 MPa 1.92×10³MPa μ=0.3

钢板16MnR 26~36 188 MPa 1.92×10³MPa μ=0.3

锻钢16Mn ≤300mm 168 MPa 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