高压快开盲板应力分析设计.doc

高压快开盲板应力分析设计摘 要本次设计的课题是高压快速开关盲板的应力分析。它适用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能够实现快速开启和关闭，广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中。该高压快速开关盲板密封性能好、启动迅速、操作容易、安全可靠以独特的结构在快开盲板系列中优势非常明显，是现今的化工行业中的首选。在本文说明中介绍了有限单元法和有限元分析软件ANSYS；快速开关盲板特点、发展现状以及在石油化工行业中的地位、技术要求、安全使用。设计的主要任务是对卡带式快开盲板进行应力分析计算和强度校核。在掌握快盲板结构特点和工作原理基础上利用Auto CAD绘制盲板结构图，应用有限元分析方法以及有限元仿真分析软件ANSYS对盲板进行模拟仿真测试。按照设计参数，充分考虑工作条件和载荷特点选择20节点SOLID95三维实体单元，建立轴对称分析模型。通过对盲板整体应力分析，得出盲板变形和各向的应力及位移分布状况，并按照JB473295钢制压力容器分析设计标准对平盖、卡带、筒体及连接管道进行强度校核。关键词：有限元，盲板，应力分析，ANSYS66High-pressure Band-lock Closure Stress Analysis DesignAbstractThis design topic is the high-pressure band-lock closure stress analysis design. This closure is one kind of suitable for the petroleum, the chemical pipeline pipe-line cleaner transmission tube and the receive tube split-second-selection equipment. With its especial structure, good sealing property, quike opening, easy operating and safety, bandlock closure play an important role in the chemical profession industry. In this article explained the brief summary introduced the finite element method and finite element analysis software ANSYS; Split-second-selection blind board in domestic and foreign development condition as well as in petroleum chemical industry profession status and its specification, safety handling.Based on the grasping of structure character and principle of operation of the closure, using Auto CAD to draw the drawing of structure and using finite element analysis software ANSYS to analysis the stress and examination the intensity. Based on the design date, according to the operating condition uses 20 pitch points SOLID95 unit to build axial symmetry mechanics model, and has carried on the overall stress analysis to this blind board, obtains stress, displacement distributed condition and the blind board distortion .And defers to JB4732 95 Steel To pin down Pressure vessel design standard to check the board, the bandlock, the tube body and the connection pipeline carries on the intensity examination. Key word: finite element ，closure，stress analysis ，ANSYS目录1绪论11.1快开盲板的作用及国内外发展现状11.2快开盲板结构特点21.3应力分析设计方法41.4本论文的主要工作52有限单元法及ANSYS62.1有限单元法的发展史62.2有限单元法的基本理论72.3ANSYS软件介绍102.4ANSYS在现代石油化工行业的应用112.5ANSYS软件概述122.5.1ANSYS软件的特点132.5.2ANSYS软件的结构静力分析过程152.5.3ANSYS的接触分析简介173卡带式快开盲板的应力分析计算193.1有限元模型的建立193.1.1卡带式快开盲板的结构、尺寸及材料特性和设计参数193.1.2有限元网格划分及载荷边界条件203.2应力分析224盲板的确定性强度评定254.1高压设备的应力强度评定方法254.2盲板各部分结构的强度评定29结束语.36谢辞37参考文献.38附录391绪论1.1 快开盲板的作用及国内外发展现状快开盲板是用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能实现快速开启和关闭的一种机械装置。由于我国天然气的上游资源和下游市场分处于我国的东西部，作为易燃易爆的高危险介质若以铁路等运输工具运输，既不安全，而且运输成本高、能耗大、损耗高，也不利于生态环境的保护，而管道运输作为连接油气生产与市场用户的重要环节，在石油天然气工业乃至经济的发展中，发挥着独特和关键的作用。目前发达国家的原油管输量占80%，天然气则达 100%。而我国油气管道总长度在世界管道中所占比例仅为0.5%。预计到2010年，我国石油产量可达1.82亿吨，天然气产量可达600800亿立方米，油气管道输送已是必然的趋势。这样就为天然气管道的建设提供了一个广阔的前景。为此中石油集团制定了加快发展中国管道运输业的计划，将投入巨资建设中国现代化的石油天然气管道运输网。快速开关盲板是一种适用于管道清管器发送筒和接收筒快速开关设备，是为清扫、疏通管线，检查、清理容器而在管口处设置的一种固定式快速开启装置，也称快开阀门。随着当今石油化工行业的飞速发展，快速开关盲板在输油管道的输油生产的清管作业中的作用越来越明显。它适用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能够实现快速开启和关闭，广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中。1.2 快开盲板结构特点特点主要有：密封性能好、启动迅速、操作容易、安全可靠等，它是长输管道清管系统的主要设备，适用于发送和接收各种类型清管器，亦可作为各种压力容器的收发装置。目前国内设计规范中给出快开盲板的设计主要有两种类型，一种是牙嵌型，另一种是卡箍型。这两种盲板形式与当前国际上先进的快开盲板结构形式相比，显得十分落后。不仅结构形式复杂、笨重，开启机构辅助部件太多，占空间大，特别是手动操作负荷大，使用中开启、关闭十分费力，影响生产，不适用于特殊条件下对盲板的要求。由于其自身的缺陷已经不能够满足当今行业的需要，科研人员在借鉴国外新产品的基础上，设计出比较新式的快开盲板高压快开盲板，其强度设计满足国内以及当前国际上主要工业国家的压力容器设计应力分析规范，安全防护装置达到国际同类产品的先进水平。它具有先进的结构形式，密封可靠，手动操作方便，且强度储备合理，使用安全。快开盲板的安全、开启关闭快捷是这类设备的特点和研究开发的关键。其中安全性体现在两个方面，一个是盲板关闭使用过程中的安全问题，要求在承受工作压力的前提下安全运行，主要由设备的静强度设计来保证；另一个是盲板开启过程中的安全保护问题，由安全保护机构来实现。传统快开盲板设计中的强度计算，依赖于经验公式，不能给出应力集中区域的详细应力分布。为保证安全往往采用保守的处理办法，使设备的强度储备过高。不仅浪费材料，更主要的是设备笨重。高压快速开关盲板，安装在各种管道、压力容器的终端，以满足快速和频繁进入压力容器的需要。高压快开盲板这种档板使介子能水平的或垂直的进入管道的分离器、过滤器、结合器、离析器或任何的压力容器。同其他快开盲板相比，它能在不同寻常的速度下工作。图1.1快开盲板简图如图1.1，有一个双向的不锈钢的圆锥插环，插环安装在门和板颈之间已使介子能连续的沿着板颈转过360度。一个手动操作的压力报警装置机械的一部分是用来防止容器的内部压力尚未释放时板门的开启。一种不流动性的压力报警装置可用于有毒的或酸性的装置中。附属的安全特色包括钥匙和阀的自锁同样也是适用的。因此，高压快开盲板内部是安全的。这种完全可见的档板在任何时候都能满足设计标准的要求，而且操作人员可以看到档板的门是安全地关闭着的。对水平的应力来说，门是双旋转式铸造的，并铰接着自润滑的轴承。用螺栓栓住的附件能够经得起磨损并允许左右摇晃。手动的齿轮装置可以看作是它的一个额外特点，因为它可以方便的控制大直径门的简单开启。垂直的装置包括了一个吊柱，它可以将高压快开盲板的门举起并摇晃通过板颈。直径大于30mm的螺栓通常适用于有吊柱的场所。该盲板还配有独特的双唇密铅密封侍服装置，以便在没有压力的情况下装置的自动密封。它被安装在门面上，这样可以起防护作用并增加了档板的寿命，而且它的安装很简便，不需要借助任何工具。其中一些模子可用于某些范围的弹性体和最高的压力中，它通过合并不锈钢的弹簧来防止挤压，并提供了一个完全真空的空间。在一些旧式快开盲板中，头盖与简体法兰以螺纹连接，达到密封的目的，虽然初期也能达到密封的目的，但由于快开盲板主要安装在野外、风沙大的地方，特别是在西气东输等西部的地方，侵入的沙子滞留在螺纹中造成磨损，使头盖与简体法兰之间相对位移增大，导致漏气漏液，密封失败。密封材料：标准的密封材料用的是聚亚安酯和爆炸性的减压抵制的碳氟化合物组成的橡皮，根据弹性规范，温度是在-50+220C间变化。1.3 应力分析设计方法本文是基于有限单元法的理论对快开盲板整体结构进行应力分析。有限单元法2是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是20世纪50年代首先在连续力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种最有效的数值分析方法，随后很快就广泛地用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限单元法进行线性结构静力分析过程主要有以下几个步骤：结构的离散化、选择单元位移模式、单元力学特性分析、集合结构总刚度方程、约束处理并求解总刚方程、计算单元应力并整理计算结果。在实际求解中采用了大型通用有限元软件ANSYS进行数值模拟分析，ANSYS软件融合结构、热、流体、电磁、声学于一体，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站直到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上兼容。ANSYS分析问题的基本步骤主要有：分析问题、建立有限元模型、施加载荷、进行求解、后处理。1.4 本论文的主要工作（1） 基于有限单元法的理论，利用ANSYS软件对卡带式快开盲板总体结构进行应力分析。（2） 按照JB4732-95钢制压力容器分析设计标准，对快开盲板各部分结构进行确定性强度校核。2有限单元法及ANSYS2.1 有限单元法的发展史从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。一些应用数学家，物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1960年以后，随着电子数值计算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快。现代有限单元法第一个成功的尝试，是将钢架位移推广应用于弹性力学平面问题，这是Turner，Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程性问题的新局面。1960年Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，是人们开认识了有限单元法的功效。从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面所提到的，Turner、Clough等人开始提出有限单元法时是利用直接刚度法。它来源于结构分析的刚度法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它是只能处理一些比较简单的实际问题。19631964年，Besseling，Melosh和Jones等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹（Ritz）发的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普通方法。利用变分原理建立有限方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。从60年代后期开始，进一步利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用的主要是伽辽金（GalerKin）法。它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有限单元法的应用领域。三十多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。2.2 有限单元法的基本理论 目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系差值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。 有限单元法进行线性结构静力分析过程主要有以下几个步骤：（1）结构的离散化 离散化就是将分析的结构划分成为有限个单元体，在单元体的指定点设定节点，把相邻的单元由节点连接起来组成单元的集合体，以代替原来的结构。这些单元体仅仅在节点处连接，单元之间的载荷也通过节点传递。在有限离散过程中，有一重要的环节是单元类型的选择，这应根据被分析结构的几何形状特点，综合载荷、约束等全面考虑。在同一结构分析中可以采用不同类型的单元。（2）选择单元位移模式 这是单元的特征分析，假设一个简单的函数来模拟单元内位移分布规律。由于多项式的数学运算(微分和积分)比较方便，并且从所有光滑函数的局部看来都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数，故多项式常作为单元位移模式。多项式的项数和阶次取决于单元的自由度和有关解的收敛性要求。 根据所选定的位移模式，用节点位移来表示单元内任一点的位移，其矩阵形式的表达式如下： （2.1） 式中:f为单元内任一点的位移列阵： e为单元的节点位移列阵； N为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。（3）单元力学特性分析 按几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式，然后应用虚功原理或变分法或其他方法建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系，可表示如下: （2.2） 式中:Re为单元各节点力列阵: K为单元刚度矩阵，可表示为: （2.3） 式中: B为单元应变矩阵; D为单元材料有关的弹性矩阵。（4）集合结构总刚度方程 依据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点力与节点载荷保持平衡这两个原则，由各单元刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵K，将作用于每个单元的等效节点力集合成结构总的载荷矩阵R，形成整体结构的总刚度方程: （2.4）（5）约束处理并求解总刚度方程 引进边界约束条件，修正总刚度方程，求解该大型联立代数方程组，就可求得节点位移。（6）计算单元应力并整理计算结果根据求得的位移，可以求出结构所有部位上的应力值，绘制结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。2.3 ANSYS软件介绍ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70 年代初期，而近15 年则是CAE 软件商品化的发展阶段。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。以ANSYS为代表的有限元分析软件，不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。ANSYS在功能上非常强大，主要体现在前后处理能力，得到了大幅度的改进与扩充，使得ANSYS 在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科研尽心服务。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的10.0版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。2.4 ANSYS在现代石油化工行业的应用在现代化的石油机械与压力容器设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争要求石油机械与压力容器设备的性能指标大幅度提高，而ANSYS这样的CAE工具，在许多方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推广使用。近十年来，已经有近百不同版本的ANSYS软件在压力容器行业发挥着巨大作用。使ANSYS在压力容器行业占据了国内95%以上的市场份额，成为压力容器分析设计的事实上的标准。ANSYS为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作，为提高我国压力容器的分析设计水平作出了巨大的贡献。承受高温高压的压力容器设计中常常需要进行弹塑性、蠕变、大变形等非线性分析。起停机等变化的工况引起结构的交变应力，疲劳强度亦是容器设计中必需考虑的问题。对于大型容器的结构，静强度设计不能完全满足要求，因而动强度的分析计算能为容器设计所必需的。ANSYS 动力学分析功能可求解结构的非线性时程响应，谱分析可用于结构的地震响应分析。ANSYS 特有的流体单元可解决盛液容器的动力计算，分析盛液容器的模态及地震响应。2.5 ANSYS软件概述ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分:前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型:分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析。可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型用来模拟工程中的各种结构和材料，该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC, SGI, HP, SUN,DEC，IBM, CRAY等。2.5.1 ANSYS软件的特点尽管ANSYS程序功能强大，涉及范围广，但它友好的图形用户界面GUI及其优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于Motif标准的易于理解的GUI。 通过GUI可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步一步地完成整个分析，因而使ANSYS易于使用。同时，该程序提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助有经验的用户进行高级应用。 在用户界面中，ANSYS程序提供了四种通用方法输入命令:菜单、对话框、工具杆、直接输入命令。菜单由运行ANSYS程序时相关的命令和操作功能组成，位于各自的窗口中。ANSYS命令根据其功能分组，保证了用户快速访问到合适的命令。1.图形 完全交互式图形是ANSYS程序不可分割的组成部分，图形对于效验前处理数据和在后处理中检查求解结果都是非常重要的。ANSYS的Power Graphics能够迅速完成ANSYS几何图形及计算结果的显示，对于其几何图形是以对象而不是以需重新组合的数据来贮存的。Power Graphics的显示特性保证了单元和等值线的显示，并且既可用于p单元也可用于h单元。Power Graphics的显示特性加速了等值面显示，断面/覆盖/Q-切片显示。ANSYS图形功能包括以下内容:在实体模型和有限元模型上的边界条件显示，计算结果的彩色等值线显示，随时间或模型中的一条轨迹而变化的结果图形，通用显示操作，用于实体体素的橡皮筋技术多窗口显示，隐藏线剖面及透视显示，软件实现的Z-buffering(阴影光滑及加速显示)，光源阴影图像，边缘显示，收缩显示，变形比率控制显示，多图元组合显示，多达256种颜色显示等。2.处理器ANSYS按功能分为若干个处理器:包括一个前处理器，一个求解器，两个后处理器，几个辅助处理器，如设计优化器等。ANSYS前处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项。ANSYS求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算。ANSYS后处理器用于获取并检查求解结果，以对模型做出评价，进而进行其他感兴趣的计算。3.数据库ANSYS的数据库指在前处理、求解及后处理过程中ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储输入数据，如模型几何参数、材料属性及载荷状况等；又存储结果数据，如ANSYS分析得到的应力、应变、位移、温度场等。下面介绍常用的ANSYS数据库操作：（1）存储数据库通过File菜单由两种选择，一种是Save as Jobname.db，即将数据存储导Jobname.db 文件中，这里Jobname 是工作文件名，而Save as 是将数据库存储导另外一个文件名上，不改变当前数据库文件状态。数据库文件（扩展名为db）是数据库当前状态的备份。（2）恢复数据库恢复数据库是将数据库文件中数据导入内存，在此过程中，将首先清除当前内存中的数据，然后将之替换成数据库文件中的数据。在File 菜单中可以通过两种方式导入数据。一种是Resume Jobname.db即恢复名为Jobname.db的数据库文件，另一种是Resume from 即导入指定文件名的数据库，但是不改变当前文件名。 4.文件格式 文件可用于将数据从程序的一部分传输到另一部分，存储数据库以及存储程序输出。这些文件包括数据库文件，计算结果文件，图形文件等。2.5.2 ANSYS软件的结构静力分析过程有限元分析是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过对对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。 ANSYS的结构静力分析过程包括三个主要的步骤: 1.创建实体模型及有限元模型前处理 现在大部分的有限元分析模型都是用实体模型建模，类似CAD, ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面划分结点和单元，还可在几何模型边界上方便地施加载荷。但实体模型并不参与有限元分析，所有施加在几何实体上的载荷或约束最终必须传递到有限元模型上（结点或单元）上进行求解。 （1）创建或读入几何模型 （2）定义材料属性（3）划分网格结点及单元2.施加载荷并求解求解器求解器的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组。ANSYS提供了两个直接求解器:波前求解器、稀疏矩阵求解器，同时提供了三个迭代求解器:PCG, JCG, ICCG，两个直接求解器和PCG求解器均可用于非线性问题。对于模态分析，ANSYS提供了六种不同的特征值提取法。（1）施加载荷及载荷选项设定约束条件（2）求解3.查看结果后处理器ANSYS有两个后处理器。通用后处理器POST1只能观看整个模型在某一时刻的结果，时间历程后处理器POST26可观看模型在不同时间段或子步历程上的结果。（1）查看分析结果（2）检验结果2.5.3 ANSYS的接触分析简介接触是一种很普遍的非线形行为，是状态变化非线形类型中一个特殊而重要的子集。接触问题是高度非线性的，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大难点：其一，在求解问题之前，一般不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这些问题随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。本论文中的卡带与筒体、平盖间均存在摩擦，属于该类问题。接触问题分为两种基本类型：刚体柔体的接触，柔体柔体的接触。在刚体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体（与它接触的变形体相比有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触；另一类，柔体柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。本论文涉及到的是面面接触分析。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。在涉及到两个边界的接触问题中，要把一个边界作为“目标”面，把另一个作为“接触”面，对刚体柔体的接触，“目标”面是刚性的，“接触”面是柔性面，即“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常号来识别“接触对”。执行一个典型的面面接触分析的基本步骤列示如下：（1）建立模型，并划分网格；（2）识别接触对；（3）定义刚性目标面；（4）定义柔性接触面；（5）设置单元关键字和实常号；（6）定义控制刚性目标面的运动；（7）给定必须的边界条件； （8）定义求解选项和载荷步；（9）求解接触问题；（10）查看结果等一系列工作。3卡带式快开盲板的应力分析计算3.1 有限元模型的建立3.1.1 卡带式快开盲板的结构、尺寸及材料特性和设计参数卡带式快开盲板结构如图3.1所示,主要构件有平盖、筒体、卡带及支撑板。从图中可以清楚地看到，当卡带一端抵在筒体的凹槽上，另一端抵在平盖上时，盲板处于被锁住的状态。卡带是由卡带门和卡带圈组成，当打开卡带门，并将卡带圈的直径减小时，卡带即从筒体的凹槽中滑出，实现了盲板的快速开启。图3.1 盲板的有限元分析模型盲板的主要结构尺寸如下：平盖的直径为771 mm，厚度为74mm；筒体的外径为942 mm，厚度为50 mm;卡带的直径为808.8 mm，厚度为60 mm；连接管道的公称直径为711 mm,厚度为24 mm。平盖、筒体和支板的材料均为16Mn，卡带的材料为65Mn和钢的组合件。这两种材料的特性参数均近似取为弹性模量E=2105 MPa,泊松比=0.3，摩擦系数取为0.10（有润滑状态）。密封圈为橡胶材料，其弹性模量E=500Pa，泊松比=0.47。与钢材之间的滑动摩擦系数取为0.2（有润滑状态）。计算压力p=8 MPa。3.1.2 有限元网格划分及载荷边界条件由于该快开盲板的结构及载荷均满足轴对称条件，故可按轴对称情况建模。利用ANSYS9.0，选择20节点SOLID95三维实体单元，并采用映射划分方法对盲板各部分结构进行网格划分。本分析对其进行整体网格划分，并对可能的应力集中处做了网格细化。模型中对于各部件的圆角，倒角等部分进行了简化，以便用于有限元网格的划分整个结构的分网过程采用自动分网和人工干预同步进行，划分网格时对各部件规则部分控制网格密度较小，各部图3.2盲板的有限元网格划分件不规则部分注意了网格的细化，如图3.2所示。由于盲板在锁紧时，卡带与筒体的凹槽及平盖外边缘处、筒体与支板、密封圈与密封槽处均存在着接触和相互摩擦，故在这三处的上下表面分别建立接触对，采用三维面面接触单元CONTACT 174和目标单元TRAGE 170模拟,通常钢材间的摩擦系数取0.2,计算时采用递增的拉格朗日算法，划分的接触单元如图3.3所示。盲板的接触状态如图3.3所示，从图中可以看出，大部分接触处的接触面之间都是粘住的，接触状态良好。在平盖、筒体和密封圈的内表面施加均布的压力载荷8MPa，连接管道的根部施加轴向位移约束，模型两侧面施加轴对称约束。施加的载荷及约束如图3.4所示。图3.3 盲板上建立的接触单元图3.4 盲板承受的载荷3.2 应力分析设定好合理的时间步长、子步数及平衡迭代次数等非线形求解控制，就可以进行求解计算了。在求解成功后，利用ANSYS后处理器，得出了盲板的结构变形及应力数据。图3.5给出了盲板的结构变形图；图3.6给出了盲板系统的全位移分布云图；图3.7给出了盲板的应力强度分布云图。图3.5 盲板的结构变形图图3.6 盲板的全位移分布云图图3.7 盲板的应力强度分布云图图3.8 盲板的应力强度云图由图可看出，卡带与筒体和平盖接触的两处应力最大。4盲板的确定性强度评定4.1 高压设备的应力强度评定方法本设计将按照JB473295、ASME VII-div2以及BS5500等规范进行设计。实际上，这三个标准的关键内容是一致的，因此，本节只介绍JB473295钢制压力容器分析设计标准中的关键设计要求。（1）主要内容与适用范围（1.1）主题内容该标准提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法;对选材、制造、检验和验收规定了比GB150钢制压力容器更为严格的要求。（1.2）适用范围（1.2.1）本标准适用于: a.设计压力大于等于0.1 MPa且小于100 MPa的容器; b.真空度高于或等于0.02 MPa的容器。（1.2.2）本标准适用的设计温度应是低于以钢材蠕变控制其许用应力强度的相应温度。（2）设计计算中的几个问题（2.1）应力强度（Stress intensity）系组合应力基于第三强度理论的当量强度，规定为给定点处最大剪应力的两倍，即给定点处最大主应力与最小主应力的代数值（拉应力为正值，压应力为负值）之差。（2.2）总体结构不连续（Gross structure discontinuity）指几何形状或材料的不连续，使结构在较大范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形产生显著影响，是计算校核时的关键。（2.3）局部结构不连续（Local structure discontinuity）指几何形状或材料的不连续，它使结构在很小范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布和变形无显著影响。例如小的过度圆角处，壳体与小附件连接处，以及未全熔透的焊缝等，也是计算校核时的关键。（2.4） 薄膜应力（Membrane stress）是沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。（2.5） 弯曲应力（Bend stress）弯曲应力是法向应力的变化分量，沿厚度上的变化可以是线性的，也可以不是线性的。其最大值发生在容器的表面处，设计时取最大值。本标准是指线性弯曲应力。（2.6）一次应力（Primary stress）为平衡压力或其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。对于理想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动是非自限的，即当结构内的塑性区扩展到使之变成几何可变的机构时，达到极限状态，即使载荷不在增加，仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。一次应力分为以下三类：a. 一次总体薄膜应力（General primary membrane stress）影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。在塑性流动过程之中一次总体薄膜应力不会发生重新分布，它将直接导致结构破坏。例如各种壳体中平衡内压或分布载荷所引起的薄膜应力；b. 一次局部薄膜应力（Primary local membrane stress）应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。若不加以限制，则当载荷从结构的某一部分（高应力区）传递到另一部分（低应力区）时，会产生过量塑性变形而导致破坏。总体结构不连续引起的局部薄膜应力，虽具有二次应力的性质，但从方便与稳妥考虑仍归入一次局部薄膜应力。局部应力区是指经线方向延伸距离不大于1.0，应力强度超过1.1Sm的区域。（此处R是该区域壳体中面的第二曲率半径，即沿中面法线方向从壳体回转轴到壳体中面的距离；为该区域内的最小壁厚）。局部薄膜应力强度超过1.1Sm的两个相邻应力区之间应彼此隔开它们之间沿经线方向的间距不得小于2.5(其中，。而R1与R2分别为所考虑两个区域的壳体中面第二曲为每一所考虑区域的最小厚度)。一次局部薄膜应力的例子是：在壳体的固定支座或接管处由外部载荷和力矩引起的薄膜应力；c. 一次弯曲应力（Primary bending stress）为平衡压力或其它机械载荷所需的沿截面厚度线形分布的弯曲应力。一次弯曲应力的例子是：平盖中心部位由压力引起的弯曲应力。（2.7）二次应力（Secondary stress）为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的法向应力或剪应力。二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。例如：总体热应力和总体结构不连续处的弯曲应力。（2.8）峰值应力（Peak stress）由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量。峰值应力的特征是同时具有自限性和局部性，它不会引起明显的变形，其危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂。非高度局部性的应力，如果不引起显著变形者也属于此类。例如，壳体接管连接处由于局部结构不连续所引起的应力增量中沿厚度非线形分布的应力；复合钢板容器中复层的热应力。（2.9）各类应力强度的许用极限在只考虑压力载荷的条件下，按上述定义所求得的五个基本的应力强度值，应依次满足下列各条对许用极限的规定：a. 一次总体薄膜应力强度SI的许用极限为Stm;b. 一次局部薄膜应力强度SII的许用极限为1.5Stm;c. 一次薄膜加一次弯曲应力强度SIII的许用极限为1.5Stm;d. 一次加二次应力强度SIV的许用极限为3Stm。注：Stm为设计应力强度。4.2 盲板各部分结构的强度评定应用有限元分析得到了盲板各部分结构的应力分布及大小。按JB4732-95规定，在应力分类中，将具有二次应力性质的成分并入一次局部薄膜应力，对盲板各部位的安全性进行评定。分别在平盖、卡带、筒体及连接管道处分别取14条路径分析线，如图4.1-4.5所示。图4.1 盲板应力分析路径A、B图4.2 盲板应力分析路径C、D图4.3 盲板应力分析路径E、F、G图4.4 盲板应力分析路径H、I、J图4.5 盲板应力分析路径K、L、M从ANSYS的后处理中提取出了各分析路径上的一次薄膜应力强度和一次薄膜加一次弯曲应力强度列于表4.1（在ANSYS后处理中，SINT表示第三强度理论中的当量应力）。表4.1 盲板各分析路径上的应力强度值分析路径一次薄膜应力强度(MPa)一次薄膜加一次弯曲应力强度(MPa)A-A8.567233.3B-B20.2205.5C-C34.84140.0D-D109.2133.8E-E116.0347.9F-F101.2101.2G-G103.262.96H-H34.96184.6H1-H182.17150.6I-I30.18121.3J-J16.1286.77K-K125.8138.1L-L126.1136.1M-M118.6131.1在JB4732-95中查到盲板材料16Mn的设计应力强度Stm为173MPa；65 Mn的设计应力强度Stm为245MPa。按JB4732-95的分析设计准则进行应力强度校核，即一次薄膜应力强度的许用极限为1倍的设计应力强度；一次薄膜加一次弯曲应力强度的许用极限为1.5倍的设计应力强度。盲板各分析路径上具体的应力强度评定如下：1. 平盖中心处分析路径A-A一次薄膜应力强度：一次薄膜加一次弯曲应力强度：2. 平盖处分析路径B-B一次薄膜应力强度：一次薄膜加一次弯曲应力强度:3. 平盖外边缘处分析路径C-C一次薄膜应力强度一次薄膜加一次弯曲应力强度:4. 平盖外边缘处分析路径D-D一次薄膜应力强度 一次薄膜加一次弯曲应力强度: 5. 卡带下边缘处分析路径E-E一次薄膜应力强度： 一次薄膜加一次弯曲应力强度: