论文总字数：22576字

摘 要

压力容器一般是由板、壳组合而成的焊接结构，在化工、医疗、核电和石化等产业领域中有着广泛的运用。压力容器在安装和焊接的过程中会产生一定的应力集中。其中，筒体和接管的连接处在内压和外力的共同作用下，该部位的应力、应变和变形将发生变化，将会影响压力容器结构的安全性能。因此，研究在仅受内压以及内压和外力共同作用下的应力变化及其变化具有重要意义。

本文以压力容器的筒体与接管部分为研究对象，利用有限元模拟的方式，研究了气氨接管在仅承受内压和内压以及外力联合作用下的应力应变和变形大小及其分布，分析了数值不同的外力对接管和筒体的连接区域的影响，主要工作和结论如下：

（1）基于压力容器的实际情况，利用ANSYS Workbench18.2中的Geometry对需要分析的部位进行三维几何模型的建立，模型包含筒体和接管两个部分。设计了压力容器在不同载荷下的数值模拟分析流程,在Model模块建立有限元模型，将筒体的约束情况简化为左端固定，并施加不同的约束载荷。

（2）当施加均匀的1.5内压时，模拟出在恒定内压的作用下，接管与筒体连接部分的应力应变和变形状况。在受到内压后，连接处发生应力集中，该处的应力值分布在88.3-109.33，还未达到材料的许用应力。

（3）综合压力容器所处的实际环境，设计了不同数值的外力施加方案，分别在接管的端口施加50N和200N竖直向下的外力，模拟出在恒定内压和外力共同作用下，接管与筒体连接部分的应力应变和变形状况。当外力作用到200N的时候，超过材料的许用应力，与实际情况相符。

（4）有限元分析结果表明，当内压恒定时外力的作用对筒体和接管的连接处有重要影响。随着外力的增加，该出的应力与应变的分布情况由于应力集中变得更为严重。

关键词：接管 局部应力 ANSYS 数值模拟

ABSTRACT

Pressure vessels are usually welded structures composed of plates and shells, which are widely used in chemical, medical, nuclear and petrochemical industries. During the installation and welding of pressure vessel, there will be a certain stress concentration. Among them, the joint of cylindrical shell and pipe is under the joint action of internal pressure and external force, the stress, strain and deformation of this part will change, which will affect the safety performance of pressure vessel structure. Therefore, it is of great significance to study the stress change and its change under the internal pressure and the combined action of internal pressure and external force.

In this paper, taking the cylinder and pipe of pressure vessel as the research object, the stress-strain and deformation of gas ammonia nozzle under the combined action of internal pressure, internal pressure and external force and their distribution are studied by using the finite element simulation method. The main work and conclusions are as follows:

(1) Based on the actual situation of the pressure vessel, the three-dimensional geometric model of the parts to be analyzed is established by using the geometry in ANSYS Workbench 18.2. The model includes two parts: the cylindrical shell and the pipe. The flow of numerical simulation analysis of pressure vessel under different loads is designed. The finite element model is established in the model module, which simplifies the constraint of the cylinder to the left end fixed, and applies different constraint loads.

(2) When a uniform internal pressure of 1.5 is applied, the stress-strain and deformation of the connecting part between the pipe and the cylindrical shell under the action of constant internal pressure are simulated. After internal pressure, the stress concentration occurs at the joint, and the stress value is 88.3-109.33, which has not reached the allowable stress of the material.

(3) According to the actual environment of the pressure vessel, different external force application schemes are designed. The external forces of 50N and 200N are applied at the end of the nozzle respectively, and the stress-strain and deformation of the connecting part of the pipe and the cylindrical shell are simulated under the constant internal pressure and external force. When the external force acts on 200N, it exceeds the allowable stress of the material, which is consistent with the actual situation.

(4) The results of finite element analysis show that when the internal pressure is constant, the external force has an important influence on the connection between the cylindrical shell and the pipe. With the increase of external force, the distribution of stress and strain becomes more serious because of stress concentration.

KEYWORDS: Pipe；Local stresses； ANSYS； Numerical simulation；

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2 国内外研究方向和数值模拟 2

1.2.1国内外研究方向 2

1.2.2数值模拟方法 4

1.3ANSYS对压力容器的研究 4

1.3.1ANSYS介绍 4

1.3.2ANSYS在压力容器领域的研究 5

1.4本文主要研究内容 6

1.4.1研究内容 6

1.4.2研究方法 6

第二章气氨筒体和接管的有限元模型建立 7

2.1引言 7

2.2几何模型的建立 7

2.2.1筒体和接管的基本参数 7

2.2.2几何模型的简化 8

2.3有限元模型的建立 12

2.3.1材料属性的设置 12

2.3.2单元格类型选择及网格的划分 13

2.3.3边界条件处理 14

2.3.4相互作用的定义 15

2.4本章小结 15

第三章承受内压作用下气氨接管的有限元分析 17

3.1引言 17

3.2载荷的施加 17

3.3应力、应变及变形的分析 18

3.3.1总变形 18

3.3.2等效弹性应变 19

3.3.3 Stress Intensity 20

3.3.4等效应力 22

3.4本章小结 26

第四章气氨接管在承受内压和外力共同作用下的有限元分析 27

4.1引言 27

4.2外力的添加 27

4.3内压和外力作用下应力应变和变形的分析 28

4.3.1内压和外力共同作用下的总变形 28

4.3.2内压和外力共同作用下的等效弹性应变 29

4.3.3内压和外力共同作用下的Stress Intensity 30

4.3.4内压和外力共同作用下的等效应力 32

4.4本章小结 38

第五章结论与展望 39

5.1结论 39

5.2展望 39

5.3经济评价 40

5.3.1投资估算 40

5.3.2资金筹措 41

5.3.3所需费用明细 41

参考文献 42

致谢 45

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

压力容器是承受一定压力的密封过程设备，大量运用于石油化工、能源、医疗、食品、药品等众多领域。虽然压力容器设备功效各异、结构繁杂，可是从整体上看，能够根据具体特点，归类剖析。而为了满足生产与炼制工艺过程、生产操作需要，以及压力容器制造、检测、安装以及维修的需要，在压力容器壳体上开孔是不可避免的，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管孔以及安置各种阀门仪表的接管开孔。开孔以后，筒体的连续结构遭受破坏，开孔接管区的应力状况会变得相对复杂。主要有以下原因造成：首先，因为有接管的存在，如果壳体和接管的材料有差异，会导致连接区变为结构不连续的区域，容器壳体与接管在内压的作用下变形不同，可能在变形协调过程中产生局部应力；其次，接管与壳体是通过焊接连在一起，焊缝的结构、宽度和圆角的影响同样也会造成集中的局部应力；再然后，开孔使筒体材料不连续，原本的承压面积缩小，导致开孔接管边缘造成局部应力^[1]。除此以外，差距过大的内外腔压力差以及设备的自重、物料的重量、管道和附件的重量、温度引起的载荷变化也都是导致局部区域应力集中的原因，压力容器在制造与加工的过程中，也会产生局部应力。

大部分工艺过程都是以压力容器为载体完成的，生产过程中条件有时会比较极端，比如高温、高压、介质具有强腐蚀性，亦或是真空、低温等条件。压力容器的结构一般是无轴对称性，局部应力容易达到一个较大的值。在各种载荷作用下，太高的局部应力会导致容器开孔处的局部屈服，使该区域产生疲劳裂纹进而可能导致断裂失效，严重影响压力容器在接口处的结构性能。压力容器一旦失效,就会导致内部物质的泄露甚至爆炸，可能对人员和财产造成巨大的损失^[2]。

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