方形容器椭圆形开孔结构有限元分析及强度设计

发布时间：2017-06-07 14:13

  本文关键词：方形容器椭圆形开孔结构有限元分析及强度设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于各种工艺和结构上的要求,常常需要在压力容器上开孔接管,这样不可避免的要在各类压力容器的外壁上开设各样的孔,不规则形状及非标压力容器的开孔设计及强度校核超出了一般设计规范的适用范围,只能依靠经验或者是实验研究来得出结论,所以设备的可靠性和安全性往往得不到保证。近些年来以有限单元法为手段而进行的应力分析设计逐渐成为了一种很好的设计方法,在产品的结构设计,成本节约、周期缩短等方面效果十分显著,近十多年来为广大设计工作者所青睐。本文遵循分析设计方法的原则(弹性应力分析和塑性失效准则),采用三维实体有限元方法,先在SolidWorks平台下建立好带接管法兰并开椭圆形孔的方形容器三维有限元模型,导入到ANSYS软件中,设定好与实际工况相接近的边界条件,再施加以给定的载荷,进行静力学分析,将各种载荷作用下产生的弹性应力分别计算出来,然后根据塑性失效准则对弹性应力进行分类,并采用不同的准则加以限制,再对各类应力进行评定。本文以工程实践中承受内压作用的方形容器开椭圆形孔为课题背景,对单组和多组在不同外加力和力矩作用下开椭圆孔的方形容器接管区,进行了应力分析和强度设计,旨在为产品设计提供有效的参考依据。大开孔接管区的局部会产生很高的应力,使用有限元方法设计,更偏于安全和可靠。文中进行了一系列弹性应力分析,确定了应力分布特点,得出了一些一般性的结论。全文通过计算分析得出了上述重要区域的应力分布图,使工程人员对这些区域结构的强度有了更好的把握,使今后所设计的结构更趋于安全性,同时也更加经济,从而指导生产实践,并在实践中检验结构的合理性。最后,在确定容器的强度满足设计条件之后,计算得知容器尚有较多强度裕量,文中提出了优化设计方案,采用WorkBench中的优化模块对方形容器的壁厚做了参数化设置,得出了目标函数对设计点的响应关系,并采用了其中的轻量化设计,使容器的整体质量降低了22.3%。
【关键词】：方形容器 椭圆形开孔 有限元分析 强度评定 轻量化设计
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题的工程背景及实际意义12-13
• 1.2 压力容器开孔接管区应力分析的研究现状13-20
• 1.3 本文研究的主要内容20-22
• 第二章 设计方法及局部应力理论研究22-36
• 2.1 常规设计与分析设计22
• 2.2 应力分类及应力评定22-24
• 2.2.1 应力分类的基本思路22-23
• 2.2.2 容器典型部位的应力分类23-24
• 2.3 各类应力的评定24-26
• 2.3.1 应力强度24-25
• 2.3.2 应力强度计算步骤25-26
• 2.3.3 设计应力强度26
• 2.4 极限分析和安定性分析26-29
• 2.4.1 极限分析26-27
• 2.4.2 安定性分析27-29
• 2.5 孔边的应力集中29-35
• 2.5.1 无限平板圆形开孔情况29-31
• 2.5.2 无限平板开椭圆形孔情况（各向异性复合材料板）31-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第三章 基于ANSYS的压力容器开孔接管区单一工况分析36-56
• 3.1 方形容器椭圆形开孔接管结构及模型36-40
• 3.2 模型网格划分40-41
• 3.3 管箱边界条件41-42
• 3.3.1 边界条件处理41-42
• 3.4 承受Y方向力和力矩的工况42-49
• 3.4.1 管箱在承受y方向力和力矩工况下的应力分析结果43
• 3.4.2 承受y方向力和力矩工况下的计算结果及分析43-44
• 3.4.3 承受y方向力和力矩工况下的强度评定44-48
• 3.4.4 承受y方向力和力矩工况的应力分类评定48-49
• 3.5 承受X方向力和力矩的工况49-51
• 3.5.1 管箱在承受x方向力和力矩工况下的应力分析结果49-51
• 3.5.2 承受x方向力和力矩工况的应力分类评定51
• 3.6 承受Z方向力和力矩的工况51-54
• 3.6.1 管箱在承受z方向力和力矩工况下的应力分析结果52-53
• 3.6.2 承受z方向力和力矩工况的应力分类评定53-54
• 3.7 本章小结54-56
• 第四章 基于ANSYS的压力容器开孔接管区复合工况分析56-70
• 4.1 承受多方向力和力矩的复合工况Ⅰ56-63
• 4.1.1 管箱在承受多方向力和力矩的复合工况Ⅰ下的应力分析结果56-63
• 4.1.2 复合工况Ⅰ的应力分类评定63
• 4.2 承受多方向力和力矩的复合工况Ⅱ63-66
• 4.2.1 管箱在承受多方向力和力矩的复合工况Ⅱ下的应力分析结果64-66
• 4.2.2 复合工况Ⅱ的应力分类评定66
• 4.3 承受多方向力和力矩的复合工况Ⅲ66-69
• 4.3.1 管箱在承受多方向力和力矩的复合工况Ⅲ下的应力分析结果67-69
• 4.3.2 复合工况Ⅲ的应力分类评定69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 容器结构的轻量化设计70-88
• 5.1 多种变量与目标的结构优化设计70-71
• 5.1.1 优化设计的理论基础70-71
• 5.2 承受 8MPA内压工况下的轻量化设计71-79
• 5.2.1 承受 8MPa内压工况下的建模及优化参数的确定71-72
• 5.2.2 承受 8MPa内压工况下的多变量敏感性分析72-74
• 5.2.3 承受 8MPa内压工况下的多目标优化性分析74-76
• 5.2.4 结构强度验证76-79
• 5.3 承受 16MPA内压工况下的轻量化设计79-86
• 5.3.1 承受 16MPa内压工况下的建模及优化参数的确定80
• 5.3.2 承受 16MPa内压工况下的多变量敏感性分析80-82
• 5.3.3 承受 16MPa内压工况下的多变量敏感性分析82-84
• 5.3.4 结构强度验证84-86
• 5.4 本章小结86-88
• 第六章 总结与展望88-90
• 6.1 全文总结88-89
• 6.2 研究展望89-90
• 参考文献90-96
• 攻读硕士期间已发表的论文96-98
• 致谢98

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