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1、容器封头大开孔结构分析学院（系）：专业：组员：指导教师：完成日期：大连理工大学Dalian University of Technology摘 要对受压筒体开孔率大于0.5的大开孔结构的开孔及其补强问题，在GB150-98中没 有相应的设计规定。由于大开孔后，孔边缘不仅存在大的薄膜应力，而且还会产生高的 弯曲应力，因此以受拉伸开孔大平板为计算模型的等面积补强法是不适用的。目前，我 国一般采用的压力容器大开孔（开孔率不超过0.8）补强设计计算方法是原西德AD规 范（受压容器规范）中用的压力面积法。本文简略地分析介绍了大开孔补强的有限单元法。使用有限单元法计算分析模型容 器筒体上受内压的大开孔补强
2、结构的强度并比较了不同封头的受力情况。并以ANSYS 软件对此大开孔补强结构进行线性化的极限分析计算。求出其极限载荷，并用分析设计 准则对其进行了强度校核。并进行了补强的设计与计算。关键词：大开口；补强；有限元；极限载荷摘 要I引 言1错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。错误！未定义书签。1 ANSYS 简介1.1技术种类1.2开发应用1.3软件优势1.4分析类型1.5软件介绍1.6应用领域2容器封头大开孔结构设计22.1问题分析22.2基本参数22.2.1 设计参数22.2.2 材料参数22.3有限元分析22.3.1 几
3、何模型简化22.3.2 有限元模型112.3.3 有限元建模112.4结果分析162.5应力强度评定183补强设计及计算19结论20参考文献21致谢22引 言有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)是利用数学近似的方法对真实 物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单 元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。而最常见的有限 元分析软件就是ANSYS软件。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。由世界上最大的有限元分析公司之一的美国ANSYS开发，它能 与多数CAD软件接口，实现
4、数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。接下来我们就将用ANSYS软件就容器封头大开孔结构进行有限元分析。2容器封头大开孔结构设计2.1问题分析本次分析是针对容器封头达开孔进行分析。2.2基本参数2.2.1设计参数由模型总图得容器内径1000mm，壁厚10mm，取T=450C。取筒体长度 L=2000mm。2.2.2材料参数由GB150-2011标准，查得Q345不锈钢在该温度下材料性能参数如下：Os=345Mpa Ob=490Mpa Ots=190Mpa 贝 U Os/ns=34
5、5/1.5=230MpaOb/nb=490/2,6=188.46Mpats/nts=190/1.5=126.67Mpa2.3有限元分析2.3.1几何模型简化建立几何模型图1全几何图2接管处几何模型2.3.2有限元模型采用映射划分网格，设置单元边长2mm。1、创建单元类型2、定义材料模型3、创建矩形type irnyANOCT 234、移动工作平面5、创建面6、缩放变成椭圆封头7、拷贝点8、建立椭圆坐标系及椭圆封头9、将椭圆封头四线连成一个13、打断删除14、把面粘起来15、划分网格16、限制刚体位移17、加入压力18、计算19、显示应力第二王应力第二土应力2.4结果分析结果分析：开孔越大，受力
6、越不好椭圆度越大，受力越不好2.5应力强度评定根据ANSYS计算结果只有球形十分之五线性化结果满足应力强度限制，由下表 可知其中SINT=120.8MpaV126.67Mpa满足强度条件，其他结构需要进行补强。* TOTAL *I二INSIDE C二CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZ-5. 206-15. OS.105. 0嚓9670.0000.000-1.9007. 159112. 8-1.2640.0000.000物7867. 093114. 40； 17930.0000. 000S1S2S3 :SINTSEQVTEMP10&.0-4. 379-15. 8612
7、0. g115. 50.000112.87.海-2. 073114. 9110.5114. 47. ids3.110. 6109. 00.0003补强设计及计算线性化法是将容器各计算部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿一条 应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评定。通过 ansys软件进行应力线性化处理。由ANSYS计算结果可知除球形十分之五开孔 满足强度要求外，其他大开孔均需要补强。其中球形和标准椭圆壁厚增加10mm， 椭圆增加10mm还是达不到要求，所以增加了 20 mm。分别以以球形球形十分 之七和标准椭圆十分之七开孔为例，壁厚增加后线性化计算结果如下：* TO
8、TAL *I二INSIDE“CENTER O=OUTSIDESXSYSZSXYSYZSXZ-4. 216-B. 5546. 26-0. 58530. 0000. 000-4. 003；5.S6B成74-0.59U60. 0000. 0001. 7847. 41156. 20-0. 5203E-010. 0000. OOjOS1S2S3SINTSEQVTEMP46.26-4.198-23； 57础蹈62： 440. OJOO底745.904-4. ：03957. 78惑5156.207. 4121. 73454. 4251.83：0. 000*TOTAL *IINSIDE OCENTER 0 二
9、 OUT El DEsxSYSZSXYSYZSXZ0. 6442公00775. 721850. 0000. 0000. 54731. 00078. 16-1.8530. 0000. 0000; 7109E-020. 3471BQ; 460. 34S0E-010. 0000. 000SIS2日3SINTSEQVTEMP75. 724. 5路-1. 9灵77. 6574. 600. 0007S. 162. U0-1.通79.关77. 468Q-. 460； 3506S553E-0280. 4680; 290. 000由上表可知，当容器厚度增加后，开口结构满足强度要求。结 论本文简略地分析介绍了大开
10、孔补强的有限单元法。使用有限单元法计算分析 了大开孔补强结构的强度并比较了不同封头的受力情况。并以ANSYS软件对此大 开孔补强结构进行线性化的极限分析计算。并用分析设计准则对其进行了强度校 核。通过有限元分析不难发现：容器封头开孔越大，受力越不好；椭圆度越大， 受力越不好。在工程实践中大开孔补强结构应有较大的安全系数，有限单元法对 大开孔补强设计是合理和安全的。参考文献1化工原理（下册），大连理工大学，高等教育出版社，2002过程机械（上册），大连理工大学，化学工业出版社，20083 成青.压力面积法开孔补强设计方法分析.石油化工设备技术，20014 JB4732-95钢制压力容器及标准释义，全国压力容器标准化技术委员会，19955 祝效华.ansys高级工程有限元分析范例精选，电子工业出版社，2004致 谢历时将近半个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无 数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢老师，他对 我们进行了无私的指导和帮助。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的 撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批 评和指正。
