《基于ansys理论的高压储气罐三维静态分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ansys理论的高压储气罐三维静态分析（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于基于 ANSYSANSYS 的高压储气罐三维静力学分析的高压储气罐三维静力学分析罗旭 201220679 动力工程摘要：本文利用 ANSYS 软件对储气罐进行了静力学应力、应变分析，得到了储气罐的应力、应变分布图，所得结果与理论计算值能够较好的吻合，为高压储气罐的设计提供依据。关键词：储气罐；有限元；应力；应变1 1 工程背景工程背景高压储气罐用以储存压缩气体，保证在正常或应急情况下，提供足量的气体。高压储气罐具有建造结构简单、使用寿命长、对环境污染少、造价低等优点，随着工业生产的发展，储气罐在我国的应用越来越广泛。为提高储气罐的储存效率，人们总是尽可能提高储气罐内气体的压力和容积，因此对
2、高压储气罐的结构进行全面的计算分析，具有重要的理论意义和工程实用价值。本文以如图 1.1 所示储气罐作为对象进行分析，储气罐材料选用 16MnR 低合金钢，并采用正火处理。储气罐筒体直径为 2 米，高 4 米，壁厚 0.04 米；封头为椭圆型封头，封头高度 0.4 米，壁厚 0.04 米，具体尺寸如图 1 所示。储罐内介质压力 5.7MPa，工作温度为 20。图 1.1 储气罐结构简图2 2 理论计算理论计算0.0602 240.42.082.080.080.082.12.1 筒体应力计算筒体应力计算传统的高压储气罐设计是利用薄壳理论进行计算的。根据该理论，储气罐器壁中的应力计算公式为：1=（
3、+ ） 2 其中：校核设计温度下圆筒器壁中的计算应力，MPa；1筒壁有效厚度，m；储气罐设计压力，MPa；筒体内径，m；焊缝系数；材料的许用应力，MPa。表 2.1 焊接接头系数 值焊缝形式无损探伤要求值焊缝形式无损探伤要求值100%1.00100%0.90双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头局部0.85带垫板的单面焊或对接接头局部0.80其中焊缝系数可根据表 1 选取。假设储液罐的所用焊缝接为双面焊的全焊透对接焊缝，焊缝进行 100%探伤，则取焊缝系数 =1。由于储液罐材料选用 16MnR 低合金钢，钢材采用正火处理，查机械设计手册表 32.1-12 可得，材料的，钢材安全系数= 470=
4、285。则钢材的许用应力。 = 1.25= 228代入数据可得，圆筒内壁的计算应力为：1=5.7（1.92 + 0.04） 2 0.04= 139.65故，筒体强度满足要求。1solutiondefine loadsapply structure displacementon lines 命令，拾取底座地面的所有外边界线，并约束 3 个方向的自由度。3.3.2 载荷的施加及求解选取储气罐的所有内表面，并在内表面施加 5.7MPa 的设计压力。模型约束和载荷的施加如图 3.3 所示。当完成载荷施加后，进入求解器求解。图 3.3 载荷施加3.43.4 后处理分析后处理分析进入 ANSYS 的后处理
5、模块可以得到一系列分析结果。后处理模块包括通用后处理模块和时间历程响应后处理模块。通用后处理模块可以用于查看整个模型或选定的部分模型在某一子步或时间步的结果。而时间历程响应后处理模块用于查看特定点在某一时间步的结果。3.4.1 查看变形结果选择 Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu 命令,出现 Contour Nodal Solution Date 对话框,选择 Nodal Solution/DOF Solution/displacement vector sum,得到位移分布图,如图 3.4、3.5 和 3.6 所示。根据分析结果
6、可知，储气罐筒体的变形较小，而上封头和下封头的变形较大，最大变形为 4.57mm，最大变形位于上封头的中心位置。3.4 筒体应变分布图3.5 上封头应变分布图3.6 下封头应变分布图3.4.2 查看应力分析结果选择 Main Menu/General Postproc/Plot Result/Nodal Solu 命令,出现 Contour Nodal Solution Date 对话框,选择 Nodal Solution/stress，依次选择 XY shear stress、YZ shear stress、XZ shear stress、Von Mises Stress 分别得到 XY 平
7、面、YZ平面、XZ 平面内的剪应力分布图和 Mises 应力分布图,如图 3.7、3.8、3.9 和3.10 所示。（a）筒体（b）封头图 4.7 XY 平面内剪力分布图（a）筒体（b）封头4.8 YZ 平面内剪力分布图（a）筒体（b）封头4.9 XZ 平面内剪力分布图（a）筒体内 Mises 应力分布（b）封头内 Mises 应力分布4.10 Mises 应力分布根据分析结结果，列出分析结果表，如表 3.1 所示：表 3.1 应力分析结果图项目最大应力值（MPa）最大应力位置筒体96.3均布XY 平面内剪应力封头117封头左侧筒体35.8均布YZ 平面内剪应力封头109封头上侧筒体97.8接
8、管周围XZ 平面内剪应力封头74.9封头左上角和右下角筒体143均布封头187封头顶部Mises 应力接管处422接管与筒体连接处3.4.3 结果分析与讨论（1）封头内的 XY 平面内的剪应力最大：；筒体内的 XZ 平面= 117内的剪应力最大：。= 117（2）筒体内的 Mises 应力为：；封头内的 Mises 应力为： 11= 143。与理论分析结果对比： 21= 187筒体内：；1=| 1- 11|1 100% =|139.65 - 143|139.65 100% = 2.40%封头内：。2=| 2- 21|2 100% =|178.35 - 187|178.35 100% = 4.8
9、5%故 ANSYS 分析得到的结果与理论分析的误差在 5%范围内，结果基本吻合，储气罐能够安全使用。（3）在接管处，由于存在结构不连续，发生应力集中现象，最大集中应力为。因此为保证储气罐的安全性，需要在接管处贴焊补强板。= 4224 4 结论结论本文通过利用理论计算与有限元两种手段，对高压储气罐进行了三维静力学分析，并得到以下结论：（1）理论计算结果与有限元分析结果基本一致，符合储气罐的设计满足安全要求；（2）高压储气罐封头内的应力和变形比筒体内应力和变形要大，故在设计时刻适当增加封头的壁厚；（3）在筒体与接管连接处由于结构不连续，会出现应力集中现象，在设计过程中应当在接管处采取补强措施，以减
10、小应力集中现象，保证储气罐的使用安全。参考文献：参考文献：1 蔡毅田,东兴马,秋生.高压储气罐有限元分析J.华北航天工业学院学报.2012-02（1）：4-6；2王立新，马玉坤等.高压容器有限元分析J.机械设计与制造.2009-07（7）：63-64；3王志文，蔡仁良.化工容器设计T.化学工业出版社。2005.5；4机械设计手册.机械工业出版社.1995-12：第一版。/filname, stress of tank/title, stress of tank/PREP7 ET,1,SOLID185 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.06e11MPDATA,PR
11、XY,1,0.3 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7850 K,1,1,2,0, K,2,0,2.4,0,K,3,0.92,2,0, K,4,0,2.32,0, WPSTYLE,1wpoff,0,2,0 CSWPLA,11,1,0.4,1, L, 1, 2 L, 3, 4 LSTR, 2, 4 LSTR, 3, 1 FLST,2,4,4 FITEM,2,3 FITEM,2,1 FITEM,2,4 FITEM,2,2 AL,P51X RECTNG,0.92,1,0,-2, NUMMRG,KP, , , ,LOW FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2
12、,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,360,1, FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,2 FITEM,8,4 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,180,1, FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 WPCSYS,-1,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2
13、VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 CSYS,0 FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2 VSYMM,Y,P51X, , , ,0,0 wprot,0,0,90CYL4,0,1.2,0.3,90,0.38,270,1.3 wprot,0,0,-180 CYL4,0,-1.2,0.3,90,0.38,270,1.3CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 FLST,2,2,6,ORDE,2 FITEM,2,6 FITEM,2,-7 VDELE,P51X, , ,1CYL4,0,-1.2,0.3,0,0.38,180,1.3 CY
14、L4,0,-1.2,0.3,-90,0.38,90,1.3 FLST,2,6,6,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-6 VOVLAP,P51X FLST,2,4,6,ORDE,3 FITEM,2,7 FITEM,2,-9 FITEM,2,11 VDELE,P51X, , ,1CSYS,0 FLST,3,8,6,ORDE,5 FITEM,3,1 FITEM,3,3 FITEM,3,10 FITEM,3,12 FITEM,3,-16 VSYMM,Z,P51X, , , ,0,0 WPSTYLE,0WPSTYLE,1TYPE, 1 MAT, 1REAL, ESYS, 0 SECNU
15、M, ESIZE,0.05,0, FLST,5,16,6,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-16 CM,_Y,VOLU VSEL, , , ,P51X CM,_Y1,VOLU CHKMSH,VOLU CMSEL,S,_Y VSWEEP,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 APLOT FLST,5,9,5,ORDE,9 FITEM,5,2 FITEM,5,-3 FITEM,5,11 FITEM,5,18 FITEM,5,53 FITEM,5,69 FITEM,5,74 FITEM,5,76 FITEM,5,82 ASEL,S, , ,P51X ALLSEL,ALL FLST,5,6,5,ORDE
