浙大化工机械复杂系统分析与建模课程作业.doc

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 ABAQUS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/MPa0.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E70.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E70.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E70.81.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E71.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E71.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E71.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E71.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E71.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E72.01.072.17230.5530.352-2.032.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E72.4-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E72.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E72.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E73.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E73.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E73.8-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.0-2.14-4.35-46.1-1.1-0.7074.064.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.4-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E74.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E74.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E75.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E75.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E75.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E75.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E75.8-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E76.0-1.07-2.17-23-0.552-0.3542.036.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E76.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E76.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E76.81.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E77.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E77.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E77.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E78.02.144.3546.11.110.703-4.06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/MPa0.25.06E83.83E7-5.44E84.23.9E83.07E7-4.2E80.46.12E84.6E7-6.58E84.42.76E82.58E7-3.02E80.66.97E85.24E7-7.49E84.61.79E82.84E7-2.08E80.87.51E85.66E7-8.08E84.81.14E84.37E7-1.58E81.07.7E85.81E7-8.28E85.08.36E76.56E7-1.49E81.27.51E85.66E7-8.08E85.27.58E77.58E7-1.52E81.46.97E85.24E7-7.49E85.48.36E76.56E7-1.49E81.66.12E84.6E7-6.58E85.61.14E84.37E7-1.58E81.85.06E83.83E7-5.44E85.81.79E82.84E7-2.08E82.03.9E83.07E7-4.2E86.02.76E82.58E7-3.02E82.22.76E82.58E7-3.02E86.23.9E83.07E7-4.2E82.41.79E82.84E7-2.08E86.45.06E83.83E7-5.44E82.61.14E84.37E7-1.58E86.66.12E84.6E7-6.58E82.88.36E76.56E7-1.49E86.86.97E85.24E7-7.49E83.07.58E77.58E7-1.52E87.07.51E85.66E7-8.08E83.28.36E76.56E7-1.49E87.27.7E85.81E7-8.28E83.41.14E84.37E7-1.58E87.47.51E85.66E7-8.08E83.61.79E82.84E7-2.08E87.66.97E85.24E7-7.49E83.82.76E82.58E7-3.02E87.86.12E84.6E7-6.58E84.05.06E83.83E7-5.44E88.03.9E83.07E7-4.2E8然后确定应力差的变化范围分别为694MPa，50MPa，679MPa，且交变应力幅为0.5倍的应力差，故最终的交变应力幅为三者中的最大值，因此应力幅为347MPa。根据给定的S-N材料疲劳曲线，得到循环次数为4509。4.5 热应力的影响下面分析热应力的影响，我们直接忽略热应力的存在，直接进行结构场的求解，同样采用动应力计算。同样，取第5个载荷步的应力云图，如图4-4所示。图4-4 无温度场时应力云图由图可知，并对照图4-3，发现此时最大应力均为421MPa，节点为17836。若分析最后一个载荷步，有温度场与没有温度场存在一定差距。综上，温度场的影响较小。线提取节点17836的应力时间历程数据，如表4-3所示。表4-3 节点17836应力数据time/sx/MPay/MPaz/MPaxy/MPayz/MPaxz/MPa0.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E70.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E70.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E70.81.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E71.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E71.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E71.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E71.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E71.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E72.036223117083.7-46.2-23.72.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E72.4-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E72.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E72.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E73.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E73.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E73.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E73.8-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.061.34042060153-87.8-34.64.2-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E74.4-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E74.6-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E74.8-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E75.0-2E7-4.06E7-4.3E8-1.03E7-6.58E63.79E75.2-1.9E7-3.86E7-4.09E8-9.8E6-6.26E63.6E75.4-1.62E7-3.28E7-3.48E8-8.34E6-5.32E63.07E75.6-1.18E7-2.38E7-2.53E8-6.06E6-3.87E62.23E75.8-6.18E6-1.25E7-1.33E8-3.19E6-2.03E61.17E76.032.54862200206-1465.256.26.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E76.41.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E76.61.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E76.81.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.02E74.06E74.3E81.03E76.58E6-3.79E77.21.9E73.86E74.09E89.8E66.26E6-3.6E77.41.62E73.28E73.48E88.34E65.32E6-3.07E77.61.18E72.38E72.53E86.06E63.87E6-2.23E77.86.18E61.25E71.33E83.19E62.03E6-1.17E78.010.45512340248-19234.1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4-4所示。表4-4 节点17836应力差计算数据time/sS12/MPaS23/MpaS31/Mpa时间/sS12/MpaS23/MpaS31/Mpa0.25.06E83.83E75.06E84.22.76E82.58E7-3.02E80.46.12E84.6E76.12E84.41.79E82.84E7-2.08E80.66.97E85.24E76.97E84.61.14E84.37E7-1.58E80.87.51E85.66E77.51E84.88.36E76.56E7-1.49E81.07.7E85.81E77.7E85.07.58E77.58E7-1.52E81.27.51E85.66E77.51E85.28.36E76.56E7-1.49E81.46.97E85.24E76.97E85.41.14E84.37E7-1.58E81.66.12E84.6E76.12E85.61.79E82.84E7-2.08E81.85.06E83.83E75.06E85.82.76E82.58E7-3.02E82.03.9E83.07E73.9E86.03.9E83.07E7-4.2E82.22.76E82.58E72.76E86.25.06E83.83E7-5.44E82.41.79E82.84E71.79E86.46.12E84.6E7-6.58E82.61.14E84.37E71.14E86.66.97E85.24E7-7.49E82.88.36E76.56E78.36E76.87.51E85.66E7-8.08E83.07.58E77.58E77.58E77.07.7E85.81E7-8.28E83.28.36E76.56E78.36E77.27.51E85.66E7-8.08E83.41.14E84.37E71.14E87.46.97E85.24E7-7.49E83.61.79E82.84E71.79E87.66.12E84.6E7-6.58E83.82.76E82.58E72.76E87.85.06E83.83E7-5.44E84.03.9E83.07E7-4.2E88.03.9E83.07E7-4.2E8然后确定应力差的变化范围分别为694Mpa，50Mpa，679Mpa，且交变应力幅为0.5倍的应力差，故最终的交变应力幅为三者中的最大值，因此应力幅为347Mpa。根据给定的S-N材料疲劳曲线，得到循环次数为4509。因此温度场的影响很小，可以忽而略不计。附录1. 温度场求解程序/sol*DO,K,1,41lsclear,allFLST,2,106,5,ORDE,22FITEM,2,2 FITEM,2,4 FITEM,2,6 FITEM,2,-7 FITEM,2,14 FITEM,2,18 FITEM,2,20 FITEM,2,-21 FITEM,2,23 FITEM,2,-26 FITEM,2,28 FITEM,2,31 FITEM,2,-33 FITEM,2,35 FITEM,2,-41 FITEM,2,44 FITEM,2,46 FITEM,2,-52 FITEM,2,55 FITEM,2,-66 FITEM,2,72 FITEM,2,-134!* /GO DA,P51X,TEMP,200-(K-1)*4.5solve*enddo2. 动应力求解程序/sollsclear,allt0=0.2time,0 autots,0 FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,84 FITEM,2,114 !* /GO DA,P51X,UX, FLST,2,28,5,ORDE,25 FITEM,2,4 FITEM,2,7 FITEM,2,23 FITEM,2,25 FITEM,2,-26 FITEM,2,28 FITEM,2,32 FITEM,2,-33 FITEM,2,35 FITEM,2,-38 FITEM,2,40 FITEM,2,-41 FITEM,2,44 FITEM,2,46 FITEM,2,50 FITEM,2,-51 FITEM,2,57 FITEM,2,59 FITEM,2,