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摘 要

本文以圆筒状椭圆封头的薄壁容器受内压为例探讨压力容器设计中的强度计算，总结对一般受内压薄壁容器应力分析的材料力学方法，并以此为基础引入有限元数值模拟方法对实际问题作进一步探讨，通过ABAQUS有限元软件的数值模拟来检验理论的可靠性。最后将理论解和有限元数值模拟比较，得出能运用于工程实际问题的结论。

关键词：材料力学 受内压薄壁容器 应力计算 有限元数值模拟

abstract

This article takes the internal pressure of a thin-walled container with a cylindrical elliptical head as an example to discuss the strength calculation in the design of the pressure vessel, summarizes the material mechanics method for the stress analysis of the general thin-walled container under internal pressure, and introduces the finite element The numerical simulation method further discusses practical problems, and the theoretical reliability is verified by numerical simulation of ABAQUS finite element software.

Keywords: material mechanics, thin-walled container under internal pressure, stress calculation, finite element numerical simulation

目录

第一章 引言 1

1.1 压力容器的应用 1

1.2 内压容器国内外研究现状 2

1.3 内压容器的划分 3

1.4 研究思路和技术方法 3

第二章 圆筒应力理论分析 5

2.1 薄壁圆筒介绍 5

2.2 圆筒轴向应力_m的计算 6

2.3 圆筒环向应力_的计算 7

2.4 小结 7

第三章 椭圆封头应力理论分析 8

3.1 回转壳体介绍 8

3.2 回转壳体的轴向应力 8

3.3 回转壳体的环向应力 9

3.4 椭圆封头的薄膜理论 11

第四章 计算机建模和有限元数值模拟 13

4.1 流程简介 13

4.2 计算机建模 13

4.3 Abaqus有限元分析步骤 15

4.3.1 属性模块 15

4.3.2 装配模块 15

4.3.3 分析步模块 15

4.3.4 相互作用模块 16

4.3.5 载荷模块 16

4.3.6 网格模块 16

4.3.7 作业模块 17

第五章 数据后处理和分析反思 18

5.1 应力云图观察 18

5.2 理论值和数值模拟对比 19

5.3 分析反思 19

结语 21

1 材料问题 21

2 变形问题 22

3 焊缝问题 22

4 应力腐蚀问题 23

5 氢脆问题 23

致谢 24

参考文献 25

1. 引言

压力容器的应用

压力容器是一种多功能设备，应用领域非常广泛，不完全的统计数据表明，石化，能源，科学，军事和其他部门的压力容器产品有着广泛应用，在日常生活中也非常常见和常用。2014年，中国压力容器行业的市场规模为825亿元，到2016年底达到1081.56亿元。根据2017年上半年的数据，压力容器市场的规模为611.8亿元。

随着中国加入WTO和国际市场的打开，为国内压力容器制造业带来了巨大的机遇和挑战。一方面，作为制造业大国，中国迈过了参加符合国际标准的国际竞争的准入门槛，可以为国民经济带来巨大增长点；另一方面，中国的压力容器行业仍有很大一部分属于低端制造业，面临着产能过剩、创新不足等问题，与国外先进水平还有差距。目前，压力容器的创新点在于先进的计算机仿真模拟技术和新材料技术在设计和生产过程技术中的应用，特别是在加工设备的操作方面，这些新技术为逐步从过程设备过渡到新一代产品提供技术保证。

由于压力容器产品的内在要求以及市场经济的激烈竞争，压力容器产品的生产既有集成化的特点，比如设计、生产、装配、售后的总包；又有专门化的趋势，比如标准零件由专门制造商和独立单位供应，专业的封头和装配工厂，热处理部门，无损检测部门的出现等，使压力产品的生产效率更高。因此，有必要注意压力容器的发展方向，既要效率更高，又要使生产更集中，以此最大化利润率。

目前，中国有超过3800家压力容器制造商通过产业认证，该领域中,中小型产品市场的竞争异常激烈。特别是沿海企业，在部门条件相对良好且产能扩张速度比内地企业快的情况下，发展迅速。但在近年来国际金融危机的影响下，订单数量受到冲击，所采取的大幅降价和恶性销售政策进一步提高了该行业的竞争水平。

中国的压力容器行业属于传统制造业。在工业化的积累过程中，实现了从无到有、从有到优的跨越式发展。进入新时代以来，压力容器生产技术已经成熟，生产规模和市场规模都比较大。从产业政策和市场需求两方面来看，该部门的前景总体良好，产品国产化和产业化的需求正在增加。但由于该部门必须提高其技术水平和创新能力，因此产业更新的步伐正在逐步放缓。

为了实施国家可持续发展战略，我国提出了生态设计这一概念，而对于压力容器，在其材料、设计、制造、报废处理等方面，尽管已经逐步形成了压力容器生命周期的现代化解决模式，从设计到制造和维护已经处理的能力大大提高，但是关于压力容器仍然存在一些较难解决问题。

在压力容器制造过程中，因为工艺原因，往往有着一些常见但不可避免的问题。这些问题包括材料问题、变形问题、焊接问题、应力腐蚀问题和氢脆问题。解决了这些问题的关键，往往在于设计和制造工艺流程上，所以需要对压力容器力学性能进行透彻的分析，以此指导设计和制造环节，有效避免风险并提高压力容器的安全性。

1.2 内压容器国内外研究现状

受内压容器是内部承受气体或液体压力，且对安全性有一定要求的容器，广泛运用于食品、化工、机械等关系国事民生的领域。设计时进行强度计算，通过强度计算得出在指定内部压力下容器设计中外壳的壁厚，或者计算指定大小的容器的最大允许载荷。

过去分析受内压薄壁容器的应力状况，多采用材料力学的方法与假设，从圆筒形薄壁容器出发，推导出具有对称轴的一般旋转体薄壁容器的计算式。但对于较复杂的模型，或对精度要求较高、不能采用三大假设，传统方法往往并不适用。

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