摘 要

本文首先对国内外压力容器分析设计的发展及常用的分析设计方法进行了介绍。国外的分析设计标准主要有ASME Ⅷ － 2标准和欧盟标准EN 13445(2002),而国内的分析设计标准是JB 4732—1995。另外，常用的分析设计方法主要分为两类，弹性分析设计方法和非弹性分析设计方法。对应力分类的思想进行了简要的介绍，并阐述了基于应力分类法的有限元分析；然后使用ANSYA Workbench 软件对旋风分离器矩形大开孔结构作了有限元分析，具体包括材料的设置，几何模型的简化，网格划分和施加边界条件和载荷。对结构进行求解，找到等效应力最大的位置，设置应力分类线，使用应力线性化方法并对其进行应力强度评定；强度评定是在三种工况下进行的。主要是计算出等效应力最大位置处的实际应力强度是否小于材料的许用应力强度。再有就是对旋风分离器矩形大开孔结构进行了优化设计，即对筒体的厚度进行减薄处理，得到了该结构在保证安全性前提下的最合理的厚度，随后对其进行了经济性评价 ，结论显示，进行该优化后大大节约了成本。最后，对本次论文进行了全面的总结，对本次设计的不足之处进行了阐述，并展开了后续的研究展望。

关键词：分析设计 有限元分析 应力分类法 矩形大开孔

Analysis of the stress of rectangular large-opening structure of cyclone separator

ABSTRACT

This author first introduces the development of analysis and design of pressure vessels at home and abroad and the commonly used analysis and design methods. The foreign analysis and design standards mainly include the ASME VIII-2 standard and the EU standard EN 13445 (2002), while the domestic analysis and design standard is JB 4732-1995. In addition, commonly used analysis and design methods are mainly divided into two categories: elastic analysis design methods and inelastic analysis design methods. The concept of stress classification is introduced briefly, and the finite element analysis based on stress classification method is described. Then ANSYS Workbench software is used to make a finite element analysis of the large rectangular hole structure of the cyclone separator, including the material setting and geometry. Simplify the model, mesh and apply boundary conditions and loads. Solve the structure, find the position with the most equivalent stress, set the stress classification line, use the stress linearization method and evaluate the stress intensity; the strength assessment is carried out under three conditions. It is mainly to calculate whether the actual stress intensity at the maximum position of the equivalent stress is less than the allowable stress intensity of the material. Another is to optimize the design of the rectangular large-opening structure of the cyclone separator, that is, to reduce the thickness of the cylinder, obtain the most reasonable thickness of the structure under the premise of ensuring safety, and then conduct economic The sexual evaluation, the conclusion shows that after this optimization, the cost is greatly saved. In the end, this paper has made a comprehensive summary, expounded the deficiencies of this design, and launched the follow-up research prospects. 

Key Words: analytical design；finite Element Analysis；stress classification；rectangular large openin

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 1

第一章 绪论 1

1.1 国内外压力容器分析设计技术及其发展过程 1

1.1.1美欧压力容器分析设计技术的发展 1

1.1.2中国压力容器分析设计法的现状 2

1.2 常用的分析设计的方法及其特点 3

1.2.1弹性分析设计方法 3

1.2.2非弹性分析设计方法 4

1.3 压力容器矩形大开孔处的应力分类 5

1.3.1应力分类的基本思想 5

1.3.2矩形大开孔处的应力分类 6

1.4 结束语 6

第二章 基于应力分类法的有限元分析 7

2.1 有限元方法及软件简介 7

2.1.1有限元方法简介 7

2.1.2数值模拟软件简介 7

2.2 应力分类法简介 8

2.3 有限元模型建立 8

2.3.1材料设置 9

2.3.2几何模型的简化 9

2.3.3网格划分 11

2.3.4边界条件和施加载荷 12

第三章 旋风分离器矩形大开孔结构的强度校核结果 16

3.1各种计算工况载荷条件 16

3.2.1总的变形图 16

3.2.2等效弹性应变图 17

3.2.3等效应力图 17

3.2.4应力线性化 17

3.3 矩形大开孔结构的应力强度评定 18

3.3.1应用规范及应力强度确定依据 18

3.3.2强度评定说明事项 19

3.3.3筒体及矩形接管的强度评定 19

第四章 优化设计 27

4.1 旋风分离器矩形大开孔的优化设计 27

4.2 经济性评价 29

第五章 结论与展望 30

5.1 主要结论 30

5.2 后续研究展望 30

参考文献 32

致谢 35

第一章 绪论

1.1 国内外压力容器分析设计技术及其发展过程

1.1.1美欧压力容器分析设计技术的发展

世界上首部压力容器建造规范《锅炉建造规范•1914》是由美国机械工程师协会在1915年颁布的，11年以后，也就是1926年，总共发展到8卷。刚开始采用的是"常规设计”标准，也就是按弹性理论的相关规范，采用"基本应力”强度来预防压力容器产生过度变形和发生爆炸。19世纪60年代初，ASME发布了核电容器规范，在这本规范里才开始呈现出“分析设计”法的标准，紧接着，19世纪60年代末，分析设计法推广到非核电的重要压力容器建造中去，这便是ASME Ⅷ － 2 ^[1]。这是压力容器发展过程中浓墨重彩的一笔，产生了非常重要的影响，首次展示了"以应力分析为基础的设计”的思想。采用分析设计的方法，带来的后果就是，容器结构中会不可避免地出现具有自限性的弯曲应力和处于局部应力集中的峰值应力，这些应力的数值会比材料的屈服强度大得多，即结构中的局部区域老是会进入屈服状态。因此，广大的科学家和学者就想一定要摒弃掉弹性分析的老思想，他们另辟蹊径，开拓创新，提出了新的设计理念，这就是应力分类的全新的思想。要实现应力分类可以用多种方案来解决，比较通用的方法有：线弹性应力分析法，有限元数值分析法和实验应力分析法。经过十几年的发展，有限元塑性分析条件逐渐成熟起来，各方面都日渐完善，这个时候，欧盟国家不甘落后，组织了联合调研，投入了许多年的光阴拟写了欧盟的新标准EN 13445(2002)^[2]。 这个标准创新性地提出了一种新的设计方法，这就是直接法。直接法的含义就是根本不采用弹性分析方法，而直截了当运用非弹性的分析方法，通过弹塑性数值分析，对那些已经发生塑性变形的部位进行设计计算得到总体塑性应变和局部塑形应变值，最后给其设置容许值，因而可以避免应力分类的争论。毋庸置疑，直接法是一个极具智慧的开创性思维，

树立了压力容器应力分析设计技术领域的又一个新的标杆。对于市场方面而言，采用直接法和应力分类法都能使压力容器的功能性和安全性要求符合要求。不仅ASME Ⅷ － 2 在2007 和2010 年版的内容，还有EN 13445—2002 及2006，2009 版的内容都十分殷实，在中国至今还没有进行系统深入研究。在压力容器建造规程发展历程中，直接法和应力分类法由于其在当今国际产生的非常重大的影响终将被载入史册。

1.1.2中国压力容器分析设计法的现状

20世纪70年代初期，压力容器分析设计法被引进到了中国，那时候文化大革命还没有结束。为了使中国在这个领域不至于落后太多，机械部敢为人先，率先组织国内的专家学者对ASME的分析设计标准做了细致的研究，对一些比较困难的课题做了艰难的攻关。在之后又花费大量精力翻译整理了20世纪70年代末期出版的ASME Ⅷ － 2 和ASME Ⅲ^[3]。 引进20多年以后，经过不断的钻研和攻关，1995年中国终于有了自己的第一部分析设计标准JB 4732—1995^[4]。该标准的出现，填补了我国分析设计标准的空白，并且为企业，科研单位，高校等做压力容器的设计提供了明确的指导。压力容器属于特种设备，国家对压力容器的设计，制造，检验和材料等进行严格监管，建立了相关的法律法规和行政监督体系。应力分类法本质上是一种已经简化过的工程设计方法，不可避免会存在一些问题。鉴于应力分类引起了不同学者的激烈争论，出现了不少问题，因此我们可以尝试转向以弹塑性分析为基础的直接法，用该方法来对局部塑形区域的塑性应变直接给出合理的解决方案。中国在压力容器设计领域与其他发达国家的差距还不小，我们应该要努力去引进吸收别人先进，精华的东西，抛弃掉他们糟粕的东西，同时，应该审视自我，潜心钻研自己的学问，不断去创新，争取在国际压力容器领域发出中国的声音，这是中国学者需要努力的方向。此外，我国的分析设计规范还应该有自己的独到之处，有自己的核心竞争力，中国的科学家和学者要为压力容器设计技术的发展贡献自己的一份力量。

1.2 常用的分析设计的方法及其特点

目前在工程实践中有几种方法应用较多，大致分为两类。第一类是以弹性分析为基础，包括：等效线性化法、两步法、一次结构法、弹性补偿法^[5]。第二类以弹塑性分析为基础,包括：欧盟标准EN 13445中的分析设计方法和ASME规范的非弹性分析设计方法。

1.2.1弹性分析设计方法

1.等效线性化方法

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