基于SolidWorks的压力容器三维建模及应力分析

?必威动态 ????|???? ?2019-08-04 12:11


  基于SolidWorks的压力容器三维建模及应力分析(Analyse)成凤文安全系数过大,经济性较差。产品验证依赖于对实物样品的测试,使产品开发周期长,成本高。文章给出在SolidWorks环境下,将压力容器的初步设计、三维建模与有限元分析相结合进行优化(optimalize)设计的方法与过程,并给出了实例。
  压力容器是化工业重要的设备,在设计时,首先要满足工艺要求,还必须保证安全性要求、合理性要求、经济性要求等。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。设备运行安全性是最重要的。在压力容器的有关国家标准中,设计方法一般是根据强度设计公式,考虑焊缝情况,确定焊缝系数,根据国标选择确定一定材料的安全系数,计算出容器壁厚,再加上厚度附加量,经查阅最小壁厚尺寸后确定容器壁厚。由于实际情况比较复杂,有时不可能完全用理论公式十分精确地反映真实的情况,因此在设计的过程中,还必须以科学实验和生产实践成果作为重要依据,因而设计时所确定的保险系数一般较高,但材料消耗(consume)大,经济性不好。而且,由于存在一定的定性分析,不能做较全面的实际应力、应变分析,故容器投入运行后仍然存在着隐患。
  目前,也有很多压力容器的计算机辅助设计App在用,编辑认为,利用SolidWorks的方便的三维造型和有限元分析功能,动态模拟容器加载后的应力、应变、位移情况(Condition),提供了详细的设计数据,为压力容器设计提供了一个实现优化设计途径。
  SolidWorks的有限元分析功能件之一,它全面采用非全约束的特征建模技术,其设计过程全相关性,可以在设计过程的任何阶段修改设计,同时牵动相关部分的改变。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。它集成了设计、分析、加工和数据管理整个过程,所获得的分析和加工模拟结果成了产品模型的属性,在SolidWorks的特征管理器清晰地列出了详细的数据信息,作为修改、优化设计的依据(yī jù)。COSMOSWorks使用当今世界上最快的有限元分析算法决速有限元算法,完全集成在Windwos环境并与SolidWorksApp无缝集成,是SolidWorks的一个插件。快速有限元算法提升了传统算法50100倍的解题速度,并降低磁盘储存空间,只需原来的5%.更重要的是,使用该技术,工程设计人员能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析与验证,无须掌握有限元的相关常识,获得修正和优化设计所需的必要信息。可以为工程师提供应力分析、应变分析、热分析、优化设计、线性和非线性分析等。使用这个技术,可使工程师最大限度地缩短设计周期,降低测试成本,提高设计和产品质量。
  2设计方法2.1按照理论公式,计算容器壁厚为说明问题方便,设己知条件:一立式空气储罐,筒体为圆柱体形状,内径A=1000mm,高丑=1800mm.封头为标准捕圆形,A=1000mm.操作压力JP=3.5MP,安全阀开启压力=4MP,常温,工作介质为压缩空气。
  选择椭圆形(由圆形变成的长圆形)封头,取壁厚为与筒体同厚度用薄膜应力校核水压试验应力:〃,=容器的二维图形见。
  2.2用SolidWorks进行三维建模因容器为对称结构的回转体,建模只要考虑一部分即可,这里建立体的1/6结构的三维模型。
  使用草图绘制命令,绘制旋转造型用的草图;用“旋转凸台/基体”命令,设置旋转角度为60°,完成储罐的三维建模。见。
  2.3进行有限元分析2.3.1建立研究定义“研究”。名称可为*Fenxi*,根据容器运行时为静止工作,故选分析类型为“静态”。由于容器属于薄壁回转曲面设备,选择网格类型为“使用曲面的外壳网格”,该网格类型是曲面模型的唯一选择,对于每一个壳体可以定义它们各自的壳单元厚度。在模型树上单击“外壳”图标,选择“按所选曲面定义”,再单击容器5个内表面,设置抽壳厚度为14,完成外壳定义。
  选择“应用材料到所有”,打开材料对话框,自定义材料并将其物理性能参数编辑到材料属性(property)信息框中。
  2.3.2建立约束、施加载荷对话框,选择制约类型为“使用几何体”,在三维图形上单击14条边线定义为约束的边线,选择“基准轴1*(容器体回转轴线)为几何体。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。
  对话框,选择“垂直于所选面”的内压力类型,在图形上单击内表面的5个面,输入压力值为4000000N/m12,为均布载荷,完成压力定义。
  根据容器工作时上下两个又叫法兰凸缘盘或突缘与与管路相连,为固定状态,故定义容器上下两个法兰的内侧边线为‘’固定“约束。
  2.3.3系统自动划分网格并运行分析运用系统的“网格”功能,使用系统默认的网格参数。由于系统具备对局部几何形状变化较大的地方进行网格的细化(即加密)功能,考虑到容器压力较小及形状简单,故采用系统自动加密网格化参数,认为可满足设计要求。
  运行“运行”命令后,只需很短的时间(文章中的模型运行分析需要约10秒),系统将应力、应变、位移、变形等图解和参数列于模型树中,双击文件夹下的“图解”,即可浏览相应的变形图和参数,如为应力分布云图和变形图。现仅就应力进行分析。在模型树中右击“报告”,弹出对话框,可将分析结果保存。
  3优化设计3.1有限元分析(Analyse)结果分析从可得出结论,在给定条件下,容器上应力最大值出现在法兰和筒体的结合处(用红色表示),为2.480X10sN/m2,小于材料(Material)的屈服极限,是安全的。同时,其范围较小,这一点与容器设计理论相一致一一开孔会产生应力集中;应力最小值出现在封头与筒体结合部附近(用蓝色表示),为2.462X107N/m2,安全性高,材料富裕度较大。按照材料的屈服应力3.45X108N/m2计算,则该容器的平均安全系数(屈服应力与实际应力的比值)约为3.92,超过了传统理论一般所取的1.6的屈服点安全系数。
  符合优化设计思想。
  壁厚为10mm的应力分布云图及变形基本结论以基本设计理论为基础,先对压力容器进行初步设计,然后,利用App的COSMOS分析功能模拟现实工作状况,对初步设计进行分析,得出数字信息,进而对初步设计进行修改、优化,一定程度上减少了设计的盲目性。尽管压力容器设计需要考虑的因素很多,该方法仍然基于原设计的理论模型,模拟现实也并非100%,但毕竟为解决纯理论设计定性不能定量的问题,实现数字化设计提供了一个途径,可从不同方面评价设计结果,也可减少面向样机的实际测试次数。因此,编辑认为,文章提出的设计方法有一定的实际意义。