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1、机电工程学院有限元原理及工程计算课程设计说明书指导老师： 专业名称：理论与应用力学学 号： 设计作者： 提交时间： 2015/6/24目 录一、设计任务书21.1题目21.2结构图和计算参数21.3计算内容21.4计算要求2二、课程设计指导书32.1目的要求32.2主要计算步骤32.3计算结果分析42.4计算说明书内容4三、计算说明书53.1构件结构图53.2材料和单元选择53.3实体（几何）建模63.4网格划分与有限元建模83.5加载83.6计算和后处理97结果分析14附录16附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (A)16附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (B)16附录
2、3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (C)17附录4 APDL程序18参考文献22一、设计任务书1.1题目1.2结构图和计算参数（1、构件的几何形状和尺寸；2、材料及性能；3、约束和边界条件；4、载荷）1.3计算内容1） 构件的几何变形计算；2） 构件的各方向的位移计算；3） 构件的应力分布场计算；1.4计算要求1） 计算说明书应包括主要的计算步骤，计算公式、计算简图均应列入，并尽量详细描述计算过程；2） 计算说明书应书写清楚，字体工整，图表清晰规范；3） 在规定时间内完成计算并提交计算说明书。二、课程设计指导书2.1目的要求本课程设计是有限元理论及其应用的重要实践环节之一，是一门了解有
3、限元理论、应用有限元方法对工程问题进行计算的实战性很强的课程。通过本课程的学习，熟练掌握通用有限元软件ANSYS对工程问题的计算全过程，进一步综合和深化对有限元以及力学理论中基本理论和基本概念的理解。同时初步培养学生具备利用有限元方法对工程应用问题进行基本建模、加载、计算和结果分析的能力，使学生在计算、分析解决实践工程力学问题的能力有较大的提高，为学生在今后的毕业设计和进入社会工作后对工程问题的力学分析打下扎实的基础。2.2主要计算步骤1) 明确研究对象，合理简化研究对象的力学分析。a、 对实际构件进行合理简化，确定主要研究对象；b、 对载荷和约束进行合理简化处理；c、 画出简化结构分析图；d
4、、 了解构件的材料特性和几何特性。2) 启动ANSYA分析软件，设定ANSYS分析环境；a、 设置项目工程名；b、 设置计算过程、结果存取工作目录；3) 选择适当分析单元模型和材料模型，输入相关材料模型参数。a、 选择适当的单元模型，设置相关截面参数、实常数等；b、 选择适当的材料模型，设置材料模型的参数。4) 创建有限元模型a、 构思建模步骤，创建模型；b、 应用布尔运算对模型进行整合；c、 控制和合并重合单元、节点等。5) 网格划分a、 确定每部分构件的材料、单元；b、 选择网格划分方式；c、 调整已划分网格；6) 加载和计算a、 设置载荷：集中力、分布力等；b、 设置约束：位移、对称面等
5、；c、 设置计算参数并进行计算；7) 后处理a、 取后处理构件变形对比图；b、 取后处理构件节点位移图；c、 取后处理构件节点应力图，包括：第一主应力图、应力强度图、mises等效应力等。2.3计算结果分析利用ANSYS后处理得到构件的变形图、位移图和应力图，针对这些图，分析最大应力发生点、最大变形发生点，分析该点的危险性，提出一个解决方案并进行计算对比。2.4计算说明书内容计算说明书是学生提交计算结果及其分析的重要报告，其主要内容包括下面几个方面：1) 构件结构图2) 材料和单元选择3) 有限元建模4) 网格划分5) 加载6) 计算和后处理7) 结果分析8) ADPL程序三、计算说明书3.1
6、构件结构图图3.1.1 构件结构图图中对象的下表面对Y方向约束,侧边对称面为对称约束，内壁承受0.58Mpa的内压。3.2材料和单元选择表3.2.1 构件材料明细表材料弹性模量/Mpa泊松比屈服强度/Mpa筒体Q245R2.07E50.3245封头Q245R2.07E50.3245开口接管20#2.06E50.3245由上表可知，该模型有两种材料组成，但力学性能相差不大，可简化为同种材料，取弹性模量为2e5Mpa，泊松比为0.3，选用常用的solid185单元。3.3实体（几何）建模1、建模的基本思路。采用自底向上的建模，即先建立关键点，通过关键点建立线，由线生成面再生成体。2、描述对工程实际
7、对象简化模拟方法，包括构件的几何简化和约束、载荷的处理方式等。因为压力容器为轴对称结构，取模型的一半进行建模，在对称面施加对称约束。3、建模后的模型图。图3.3.1 等轴侧立体图图3.3.2 左视图图3.3.3 俯视图3.4网格划分与有限元建模采用扫掠划分，划分后的模型如下：图3.4.1 模型的网格划分3.5加载在模型的对称面施加对称约束，上下表面y方向上的自由度为0，内壁施加0.58Mpa的压力。图3.5.1 边界条件加载图3.6计算和后处理图3.6.1 模型总位移图图3.6.2 第一主应力云图 根据GB150设计标准，压力容器设计时采用最大拉压应力准则进行校核。由无力矩理论可知，此时薄壳受
8、到的最大拉应力即是第一主应力。由（图3.6.2）第一主应力分布图可以得到最大拉应力为50.3MPa小于许用应力133MPa，所以该结构安全。图3.6.3 应力强度云图由（图3.6.3）可得该结构所受到的最大应力强度为59.6127MPa小于R245钢屈服强度245MPa，该结构安全。图3.6.4 Mises等效应力云图 根据畸变能密度准则（即misses等效应力），由(图3.6.5)可知该结构的最大等效应力为56.52MPa，小于许用应力133MPa，所以该结构安全 分类应力校核：如下图定义三个路径pathA，pathB，pathCBCA图3.6.5 强度评定路径设定（A,B,C）分别显示AB
9、C路径上的应力线性化结果，如下图：图3.6.6 PathA上的应力分布图图3.6.7 PathB上的应力分布图图3.6.8 PathC上的应力分布图7结果分析Q245R的力学性能如下：表7.1 Q245R的力学性能钢板厚度/mm抗拉强度R/(N/mm2)屈服强度R/(N/mm2)伸长率A/%温度/冲击吸收能量KV2/J180弯曲试验 弯曲直径（b35mm）3-16400-52024525031d=1.5a16-36400-52023525031d=1.5a36-60400-52022525031d=1.5a60-100390-51020524031d=2a100-150380-50018524
10、031d=2a强度分析：由表可知，当壁厚为14mm时，其屈服强度大于245Mpa，经过ansys分析结果，容器的应力强度最大为56.86Mpa，米塞斯等效应力最大为56.52Mpa，远小于其屈服强度245Mpa，初步校核其强度是可靠的。对应力集中处进行分类应力校核：分析设计依据：JB47321995钢制压力容器分析设计标准（2005确认版）表7.2 构件的工况表最高工作压力/Mpa0.4设计压力/Mpa0.58最高工作温度/50设计温度/70筒体材料Q245R封头材料Q245R开口接管20#设计应力强度由JB-4732-95的表6-2查得(Q245R即为旧牌号中的20R)：表7.3 Q256R
11、的设计应力强度钢号钢 板标 准使用状态板厚mm常温强度指标在下列温度（）下的设计应力强度/MpaRm,MPaRel,MPa20100200250300375碳素钢钢板20RGB6654热轧正火61640024515414713111710895162540023515414012411110289正火2536400235154133124111102893660400225150127119107988560100400205137117109989079在设计温度为70摄氏度下，设计应力强度Sm=147MpaPl限制值为1.5Sm=220.5MpaPl +Pq限制值为1.5Sm=220.5M
12、pa表7.4 应力强度分解评定结果PathABC薄膜应力Pl /Mpa40.9949.8240.99弯曲应力Pq/Mpa8.59611.558.586Pl +Pq/Mpa47.8259.7647.82与Pl限制值比较未超出未超出未超出与Pl +Pq限制值比较未超出未超出未超出由以上分析可知，该结构是安全的。附录附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果 (A) * MEMBRANE * SX SY SZ SXY SYZ SXZ -1.083 2.578 39.21 -1.631 -1.370 -0.5503 S1 S2 S3 SINT SEQV 39.27 3.166 -1.729 40.99 38.78 * BENDING * I=INSIDE C=CENTER O=OUTSIDE SX SY SZ SXY SYZ SXZ I -4.996 0.9062 -7.653 0.000 0.000 0.000
