基于ANSYS的压力容器有限元分析及优化设计

４５０　化工　机　械　２０１０焦　

摘　应　关　由　基于ＡＮＳＹＳ补强圈与简体间接触的　

有限元分析　

贾春明　石成江　

（辽宁石油化工大学）　

要　应用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，分析了在内压作用下补强圈与壳体之间接触位置及接触区域的　力分布。同时描述了补强圈与筒体之间的间隙量对接触的影响。　键词　压力容器　接管　开孔补强　有限元　图分类号ＴＱ０５１．３　文献标识码　Ａ　文章编号０２５４—６０９４（２０１０）０４—０４５０￣４　

多年来，在压力容器的应力分析中，一直沿用　

经典的薄壳理论。在应用薄壳理论对压力容器开　

孔补强结构进行分析及设计时，将其分为接管、补　

强圈及容器壳体３部分，在它们的连接处建立变　

形协调及力的平衡方程，求解其连接处的位移及　

应力。在这样的求解过程中，认为补强圈与简体　

间没有相对的位移及转角，也未考虑相互间的接　

触，这与结构的实际状况并不相符。当应用与容　

器分析时，无法预测焊接区的应力及焊接补强圈　

与壳体之间的接触行为。随着有限元技术的发　

展，这些问题都可以解决了。笔者应用ＡＮＳＹＳ仿　

真软件中的接触分析功能，对补强圈与容器壳体　

间的接触特性进行了模拟。　

１　物理模型　

分析模型接管及补强区的结构形式和有关尺　

寸如图１所示。补强圈的尺寸按工程上常用的尺　寸，即简体外径近似为接管直径的两倍，厚度相　

同，即：接管内径ｄ＝１２５ｍｍ，长度ｚ＝１５０ｍｍ，壁　

厚￡＝６ｒａｍ；筒体内径Ｄ。＝５００ｍｍ，长度Ｌ　＝　

３５０ｍｍ，厚度Ｔ＝６ｍｍ；补强圈外径为２５０ｍｍ，厚　

度Ｔ　＝６ｒａｍ；施加的内压Ｐ＝３ＭＰａ，补强圈与简体　

之间的缝隙初定为０．２ｒａｍ。筒体、接管及补强圈　

的材料力学性能见表１。　

图ｌ　焊接板补强接管的计算模型　

表１　材料的力学性能　

贾春明，女，１９８３年３月生，硕士研究生。辽宁省抚顺市，１１３００１。

　第３７卷第４期　化　工　机　械　４５１　

２接触特性的模拟　

对于在内压作用下，补强圈与简体之间可能　

基于AnsysWorkbench筒体吊装工具有限元分析

摘要：采用AnsysWorkbench软件对筒体吊装工具进行有限元分析，通过建模仿真的方式了解筒体吊装工具的强度及变形情况，依托计算结果提出筒体吊装工具优化设计的方案。

关键词：筒体吊装工具；AnsysWorkbench；有限元分析

随着现代科技的不断发展，工业制造和建筑施工等领域对于设备和材料的提出了更高的要求。在筒体、压力容器等重型设备的制造和运输过程中，吊装工具是一种必不可少的装备。利用吊装工具可以将筒体等重量物品从一个位置转移到另一个位置，并保证吊装过程的安全和稳定。因此，对于吊装工具的设计和分析是非常重要的。AnsysWorkbench作为一款常见的有限元分析软件，在应用于筒体吊装工具的分析中有着广泛的应用价值。本研究对基于Ansys Workbench筒体吊装工具有限元分析的相关问题进行深入研究，为方案设计及失效分析提供理论支持。

1 AnsysWorkbench的主要功能及应用流程

1.1 AnsysWorkbench的主要功能

Ansys Workbench是一款广泛应用于工业制造、建筑施工、航空航天等领域的有限元分析软件，其主要功能包括：（1）CAD建模。Ansys Workbench具有强大的CAD建模功能，可以创建2D和3D的几何对象和组件，并快速导入各种文件格式的CAD数据文件。（2）丰富的材料库。针对各种不同的实际应用场合，AnsysWorkbench内置了广泛的材料数据库，包括金属、塑料、陶瓷、涂层、复合材料等多种材料，用户还可以在其基础上拓展和编辑自己的材料数据。（3）划分单元.通过AnsysWorkbench中的划分单元工具可以给几何模型划分单元，包括四面体、六面体、棱柱体等单元类型，满足复杂结构的有限元分析需求。（4）自由设定边界条件。使用者可以在AnsysWorkbench中设定各种边界条件（BC），如固定、载荷或约束边界等，从而得到完整的有限元边界值问题。（5）仿真分析及后处理。这是该软件的基础功能之一，可对物体进行静态和动态分析，具有多学科仿真分析能力，包括结构分析、流体动力学分析、热分析等。同时，该软件也可以显示变形、应力、应变、位移、动态模拟等各种结果，并且支持二维和三维可视化分析。

第２期（总第１４１期）　２００７年４月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．　

文章编号：１６７２—６４１３（２ＯＯ７）Ｏ２一ＯＯ５６一Ｏ３　

基于ＡＮＳＹＳ参数化语言的压力容器优化设计　

李虎林　，陈　威　，于安民　，高　宏　・　

（１．兰州空间物理研究所，甘肃　兰州　７３００００￣２．兰州石油化工公司物流分公司，甘肃　兰州　７３００６０）　

摘要：通过有限元软件ＡＮＳＹＳ，结合机械优化设计方法，对ｑｂ５００ｍｍ钛合金压力容器进行应力分析和结构优　

化设计。优化结果表明：在容器重量下降３３１ｇ，降低约２　的基础上，结构不连续区域最大应力下降　

１８３．８４ＭＰａ，降低约１７．２３　，容器应力分布更加均匀合理。　

关键词：有限元法；应力分析；优化设计；压力容器　，　

中图分类号：ＴＨ４９　文献标识码：Ａ　

０　引言　

随着科技和宇航事业的发展，对压力容器的设计　

要求也越来越高，而采用常规设计方法很难解决实际　

应用中的一些问题。如由于压力容器中的应力分布不　

均匀，以最大应力点进入塑性作为失效判断依据将大　

大低估材料的承载潜力，从而导致容器材料冗余问题；　

压力容器开口部位出现的应力集中问题以及反复加载　

条件下结构中的疲劳裂纹扩展问题；对于在高温环境　

下工作的容器，容器局部高应力区在高温下还会引起　

高的蠕变速度问题。为了解决这些问题我们必须寻求　

一个既安全又合理的设计方法。　

优化设计是一种寻找确定最优化设计方案的技　

术，最优设计方案可以满足所有基本设计要求，而且　

所需支出（如重量、体积、应力及成本）最小。为了提高　

航天压力容器的可靠性和安全性，减轻容器重量，使　

容器中应力分布更加均匀，我们通过有限元软件　

ＡＮＳＹＳ，结合机械优化设计方法，对ｑｂ５００ｍｍ钛合金　

压力容器进行应力分析和结构优化设计，解决常规设　

计的不足之处，达到提高容器可靠性和安全性的目的。　

基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用

引言：

机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。

1. 有限元分析的原理和基本步骤

有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。

2. 实例：静力学分析

以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。

3. 动力学分析与振动模态

有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。

4. 热力学分析与热应力

热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。

5. 优点与局限性

基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：

- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。