论文总字数：24829字

摘 要

如今，各种各样的压力容器在工厂中生产出来，并投入到化工、运输等重要工业行业中应用。随着有限元软件的发展与应用，有限元软件对线性静力学的模型的分析进行提升，做到了将复杂的仿真模拟过程简化、可以与CAD软件共通等。本课题讨论的热水器集水盒是某商用热水器的核心元件之一，目前这种集水盒处于初期应用阶段，其厚度还有比较大的余量，存在着非常大的节能减耗的空间。本研究过程将利用ANSYS对集水盒进行优化设计，通过建立集水盒的模型、网格划分、施加外载荷等操作得到模型的应力结果，采用应力分类的概念进行强度校核，进而进行结构的优化。

本探究过程主要有以下内容：

(1)先运用软件建立集水盒的实体模型，然后运用ANSYS的网格划分功能对网格进行划分。

(2)对模型施加固定支撑和外载荷，然后通过运算得到整体模型的应力强度云图。通过在模型应力强度最大的连续或不连续部位建立路径，然后算得它们应力分类，最终用算得的各部位的各种应力与设定好的许用应力进行校核，对最终的数据进行分析。

(3)在应力强度校核之后，用减少或增加集水盒模型厚度的方式来对集水盒进行优化。在优化好新的模型之后，在通过不断的对新模型进行应力强度校核，直到得到最佳优化模型。

关键词：薄壁容器 建立模型 静力学分析 分析设计

Strength analysis and structural optimization of water heater box

Abstract

Now, various pressure vessels are produced in the factory and applied to the important industrial sectors such as chemical industry and transportation. With the development and application of the finite element software, the finite element software has improved the analysis of the linear model, and it has been able to simplify the process of the simulation of a sophisticated simulation, which can be Shared with CAD software. This topic to discuss the water heater water box is a commercial water heater is one of the core components of the current water collection box at the initial application stage, its thickness and larger allowance, there is a very large space of the energy conservation and consumption reduction. Process of this research will use ANSYS to optimize the water box design, by establishing a set of water box model, meshing, exert load operations such as the stress results of the model, using the concept of stress classification, check the strength and structural optimization.

(1) First, the software is used to set up the entity model of the water collecting box, and then the grid is divided by the grid partition function of ANSYS.

(2) Apply fixed support and external load to the model, and then obtain the stress intensity cloud diagram of the whole model through operation. Through the model of the largest continuous or discontinuous stress intensity is path, and then calculate their stress classification, in the end, the final data is analyzed with the stress of various parts and the allowable stress.

(3) After the stress intensity check, the water collecting box can be optimized by reducing or increasing the thickness of the water box model. After the new model is optimized, the stress intensity of the new model is continuously checked until the optimum optimization model is obtained.

Key words: thin-walled container model； statics analysis； analysis design.

目录

摘要 I

Abstract I

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 选题研究的方式和意义 1

1.3 压力容器的设计方法发展 2

1.4 压力容器应力分析设计方法的发展 3

1.5 有限元软件简述 4

1.6 主要研究内容 5

第二章热水器集水盒的分析设计 6

2.1热水器集水盒的三维建模 6

2.1.1 热水器集水盒盖板的建模 8

2.1.2 基座的三维建模 9

2.1.3 集水盒载荷入口的三维建模 10

2.2 热水器集水盒的三维模型网格划分 11

2.2.1 网格的类型 11

2.2.2 集水盒三维实体模型的网格划分 12

2.2.3 网格质量检查 13

2.3边界条件的设置 13

2.3.1 边界条件的设定 13

2.3.2施加边界条件的操作 14

2.4 运算结果分析 15

2.5 线性静力学的应力分析简述 16

2.6应力分类分析 16

2.6.1应力分类法 16

2.6.2应力分类的操作 17

2.6.3应力强度校核 18

2.7小结 20

第三章 热水器集水盒的优化 22

3.1热水器集水盒的分析设计及优化 22

3.1.1应力分析及评定的过程 22

3.1.2已完成模型的分析 22

3.1.3 集水盒的初步优化具体过程 22

3.2 集水盒的进一步优化 28

3.2.1加厚模型底座的设计过程 28

3.2.2优化后的校核 30

3.3 集水盒的再优化 31

3.3.1集水盒再优化的设计过程 31

3.3.2优化后的校核 32

3.4 集水盒的液压试验 33

3.4.1液压试验简述 33

3.4.2液压试验过程 33

第四章 集水盒优化后的经济评价 36

4.1 集水盒优化前后的比较 36

4.2 集水盒优化后的经济分析 36

第五章 总结与展望 37

5.1 集水盒应力分析总结 37

5.1.1应力分析总结 37

5.1.2分析过程中的心得 37

5.2 分析结果的展望 38

参考文献 39

致谢 42

第一章 绪论

1.1 课题背景

我国把涉及生命安全且具有很大安全隐患的锅炉、压力容器、大型机械设备等多种设备统称为特种设备。压力容器即为在高强度的温度和压强环境下维持进行工作状态的特殊装置，它在现如今的社会生产过程中非常重要。

美国的ASME于1915年公布了最早的压力容器制造规范,到1926年扩展了之前的内容，以强度设计规范的理论为基础，采取基本应力的的强度进行剖析并对容器进行构思，并防止容器出现问题。在后续的规范里开始应用分析设计的方式，这就是ASME Ⅷ—2作为压力容器设计分析发展史上的重要过程，并提出了以压力设计为基本思想的分析理论。压力容器的设计过程中一定会出现的峰值应力，这些对压力容器产生的影响，为压力容器展开了新的分析，之后便出现了“疲劳设计准则”和“塑性极限分析规划”等多种新的理论。ASME锅炉压力容器委员会规划的发展进程就预示着疲劳设计和耐高温性能成为压力容器设计的主要参照^[1]。

1.2 选题研究的方式和意义

随着现在科技的飞速发展，现在的电子计算机的发展也有了质的飞跃，从压力容器的设计角度看，设计标准以及设计方法也有了日新月异的发展。目前，引用有限元分析程序来对压力容器及其他机械设备进行强度分析和制造设计的这一先进的设计制造方法已广泛应用于化工、交通运输等相关行业的设备的生产与设计当中，而且因为有限元分析的便捷与实用性，它受到了快速的推广应用。而对于各种各样的常用的或专用的有限元软件，ANSYS作为最为通用的有限元软件，在现在压力容器的高效生产和强度分析生产设计的背景下非常重要，对压力容器的构思与优化中起着不可估量的功用^[2]。

1.3 压力容器的设计方法发展

自上世纪末到本世纪初，随着科技技术的迅速发展，而压力容器的生产设计由于各种高科技技术的应用取得了实际性的发展^[3]。而对于压力容器的设计方法的快速发展主要体现在以下方面：

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