浙大化工机械复杂系统分析与建模课程作业2.doc
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1、复杂系统建模与仿真分析报告1. 分析内容现有一压力容器,如图1-1所示。筒体直径650mm,壁厚36mm;两侧为球形封头,半径325mm,壁厚20mm。封头接管直径46mm,壁厚12mm;筒体接管直径54mm,壁厚12mm,其分别于两侧球形封头与筒体焊缝处200mm。4个接管的外伸长度均为120mm。图1-1 压力容器结构示意图材料为16MnR,弹性模量,泊松比,断裂,抗拉强度,且满足Remberg-Osgood材料方程。(1) 运用有限元法预测爆破压力pb。(2) 若容器从200C降至室温20C工作,同时,内压满足下列变化关系试求压力容器的疲劳寿命,并说明热应力的利弊。表1-1是疲劳寿命的相
2、关数据。表1-1 疲劳寿命数据应力幅4000288189714141069724572441循环数10205010020050010002000应力幅3312622141591381149386循环数500010000200005000010000020000050000010000002. 模型建立由于模型是对称的,因此,为了减小计算规模,我们采用1/2模型进行计算。建立容器的模型如图2-1所示。图2-1 压力容器实体模型图由于ANSYS软件在计算非线性消耗的时间明显多于ABAQUS软件,而ANSYS软件在处理耦合场的分析时更为有效。因此,我们采用ABAQUS软件计算压力容器的爆破压力,采用
3、ANSYS软件计算压力容器的疲劳寿命。3. 爆破压力计算3.1模型建立将UG中的文件导入到ABAQUS中,并对其切分,为网格划分准备,如图3-1所示。图3-1 ABAQUS中压力容器模型图3.2 网格划分选择C3D20单元进行网格划分,网格划分完毕如图3-2所示。共计单元16380个,节点84223个。图3-2 压力容器网格模型图3.3 求解设置计算时,内压设为55MPa,进行求解,同时在X=0的面上施加对称约束,在Z=0的面上施加对称约束。同时在X=0的断面上,约束Y=0的直线的Y向位移为0。求解时,采用弧长法进行求解。求解的增量设为0.01,迭代次数为50,如图3-3所示。图3-3 ABA
4、QUS求解设置3.4 计算结果提取数据,得到图3-4。从图中可以看出,最大值为0.87处最大。故爆破压力为47.85MPa。图3-4 LPF曲线4.疲劳计算由于是热结构耦合问题,我们采用序贯分析的方法。先进行热分析,再进行结构分析。温度场的求解分成40个载荷步进行分析,而压力是随时间变化的,因此,我们用动应力方法进行分析,分成40个载荷步进行求解。4.1 模型建立在UG中建立模型,导入ANSYS中,并切分模型以便网格划分,有限元模型如图4-1所示。 图4-1 压力容器有限元模型4.2 网格划分由于先要进行热分析,故采用8节点solid70单元进行sweep划分,并对接管局部进行网格加密,网格划
5、分完毕如图4-2所示。共计单元33416个,节点41215个。图4-2压力容器网格整体模型图4.3 边界条件首先进行热分析,热分析的主要边界条件是温度,其变化范围是200C20C,分为40个载荷步施加温度载荷,并定义材料的导热系数。然后进行单元转换,此时热单元solid70变为solid45单元。同时在材料属性里面定义热膨胀系数为1.210-6,材料密度为7850kg/m3,材料的弹性模量为2.051011,泊松比0.3。读入热分析数据文件数据,应力计算用动应力计算,分为40个载荷步。4.4 结果分析首先确定危险节点,我们分析最大应力载荷步时的应力云图,从而确定危险点。读取第5个时间步数据,对
6、应应力云图如图4-3所示。图4-3 第5个载荷步的应力云图从图4-3中可以看出,其对应的最大应力为421MPa,对应节点号为17836。从时间历程处理器中,提取节点17836的六个应力分量数据,如表4-1所示。表4-1 节点17836应力数据time/sx/MPay/MPaz/MPaxy/MPayz/MPaxz/MPa0.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E70.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E70.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E70.81.9E73.86E74.09E8
7、9.8E66.26E6-3.6E71.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E71.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E71.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E71.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E71.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E72.01.072.17230.5530.352-2.032.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E72.4-1.18E7-2.38E7-
8、2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E72.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E72.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E73.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E73.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E73.8-6.18E6-1.25E7-1.
9、33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.0-2.14-4.35-46.1-1.1-0.7074.064.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.4-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E74.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E74.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E75.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E75.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6
10、.26E63.6E75.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E75.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E75.8-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E76.0-1.07-2.17-23-0.552-0.3542.036.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E76.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E76.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E76.81.9
11、E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E77.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E77.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E77.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E78.02.144.3546.11.110.703-4.06根据JB4732-95附录C 以疲劳分析为基础的设计,进行疲劳强度分析。由于危险点存在于封头与
12、接管相连的区域,分析时采用C2.1.2部分进行分析。计算得到主应力差的数据如表4-2所示。表4-2 节点17836应力差计算数据time/sS12/MPaS23/MPaS31/MPa时间/sS12/MPaS23/MPaS31/MPa0.25.06E83.83E7-5.44E84.23.9E83.07E7-4.2E80.46.12E84.6E7-6.58E84.42.76E82.58E7-3.02E80.66.97E85.24E7-7.49E84.61.79E82.84E7-2.08E80.87.51E85.66E7-8.08E84.81.14E84.37E7-1.58E81.07.7E85.8
13、1E7-8.28E85.08.36E76.56E7-1.49E81.27.51E85.66E7-8.08E85.27.58E77.58E7-1.52E81.46.97E85.24E7-7.49E85.48.36E76.56E7-1.49E81.66.12E84.6E7-6.58E85.61.14E84.37E7-1.58E81.85.06E83.83E7-5.44E85.81.79E82.84E7-2.08E82.03.9E83.07E7-4.2E86.02.76E82.58E7-3.02E82.22.76E82.58E7-3.02E86.23.9E83.07E7-4.2E82.41.79E8
14、2.84E7-2.08E86.45.06E83.83E7-5.44E82.61.14E84.37E7-1.58E86.66.12E84.6E7-6.58E82.88.36E76.56E7-1.49E86.86.97E85.24E7-7.49E83.07.58E77.58E7-1.52E87.07.51E85.66E7-8.08E83.28.36E76.56E7-1.49E87.27.7E85.81E7-8.28E83.41.14E84.37E7-1.58E87.47.51E85.66E7-8.08E83.61.79E82.84E7-2.08E87.66.97E85.24E7-7.49E83.8
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