引言 壓力容器是容器的一種1

1、摘要本文主要介紹了壓力容器的相關(guān)類容，包括了分類，材料，用途等相關(guān)知識(shí)。并介紹了壓力容器在工程上的應(yīng)用。使用當(dāng)前時(shí)間上比較先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)壓力容器進(jìn)行的建模分析，并使用三維軟件SolidWorks自帶的應(yīng)力分析模塊對(duì)該創(chuàng)建的壓力容器模型進(jìn)行了有效的應(yīng)力分析，通過(guò)應(yīng)力分析的結(jié)果，來(lái)對(duì)該壓力容器進(jìn)行了優(yōu)化，并將再次應(yīng)力分析的結(jié)果展示如下。對(duì)以后的壓力容器設(shè)計(jì)具有良好的參考價(jià)值。摘要11壓力容器概述32 SolidWorks簡(jiǎn)介33 壓力容器參數(shù)設(shè)定34 用 Solid Works 進(jìn)行三維建模35進(jìn)行有限元分析3算例屬性3總結(jié)3致謝3參考文獻(xiàn)31壓力容器概述壓力容器是內(nèi)部或

2、外部承受氣體或液體壓力、并對(duì)安全性有較高要求的密封容器。壓力容器主要為圓柱形，少數(shù)為球形或其他形狀。圓柱形壓力容器通常由筒體、封頭、接管、法蘭等零件和部件組成，壓力容器工作壓力越高，筒體的壁就應(yīng)越厚。壓力容器是容器的一種，是指最高工作壓力大于等于0.1MPa，容 積大于等于25，工作介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)液體的容器。這類結(jié)構(gòu)大都在一定的溫度和壓力下工作，且相當(dāng)一部分結(jié)構(gòu)的工作介質(zhì)或內(nèi)部充裝物為易燃易爆，或具有強(qiáng)烈腐蝕性，或有毒的物質(zhì)，一旦發(fā)生泄露或者斷裂破壞，就可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，必須保證該類結(jié)構(gòu)在工作和運(yùn)行中的安全可靠性，必須

3、按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求中專門(mén)的技術(shù)規(guī)范來(lái)進(jìn)行制造生產(chǎn)，嚴(yán)格控制質(zhì)量，并且要由專設(shè)機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行監(jiān)督和檢查。壓力容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)機(jī)械、冶金、石油化工、電腦信息、經(jīng)濟(jì)管理和安全防護(hù)等諸多工程技術(shù)的改革創(chuàng)新，或者說(shuō)它是在多項(xiàng)新材料、新技術(shù)、新工藝綜合開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上發(fā)展的工業(yè)產(chǎn)品。在科學(xué)技術(shù)不斷提高的今天，壓力容器行業(yè)的發(fā)展當(dāng)然也離不開(kāi)先進(jìn)技術(shù)的使用。 一.現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用 .壓力容器分類：壓力容器是化工業(yè)重要的設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足工藝要求（如壓力、溫度、介質(zhì)等），還必須保證安全性要求、合理性要求、經(jīng)濟(jì)性要求等。壓力容器的分類方法很多，按照不同的方法可以有不同的分類。（一）按制造分類：可

4、分為焊接容器、鍛造容器、鉚接容器、鑄造容器和組合容器五種。（二）按材料分類：有鋼制容器、有色金屬容器和非金屬容器三種。（三）按壁厚分類：可分薄壁容器和厚壁容器兩種。容器外徑與內(nèi)徑之比小于或等于1.2者為薄壁容器；大于1.2者為厚壁容器。（四）按設(shè)計(jì)壓力P分類：低壓容器：0.lP1.57Mpa(1P16kgfcm-2)中壓容器：1.57P9.81Mpa(16P100kgfcm-2)高壓容器：9.81P98.1Mpa(100PI000kgfcm-2)超高壓容器：P98.1MPa(P1000kgfcm-2)（五）按設(shè)計(jì)溫度分類：高溫容器：t450常溫容器：-20t450低溫容器：t20（六）按形狀分

5、類：有球形容器，圓筒形容器、圓錐形容器。（七）按承壓方式分類：有內(nèi)壓容器和外壓容器。（八）按使用中工藝過(guò)程的作用原理分類：可分為反應(yīng)容器、換熱容器、分離容器和儲(chǔ)存容器四種。（九）按使用方式分類：有固定式容器和移動(dòng)式容器。設(shè)備運(yùn)行安全性是最重要的。在壓力容器的有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)計(jì)方法一般是根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式，考慮焊縫情況，確定焊縫系數(shù)，根據(jù)國(guó)標(biāo)選擇確定一定材料的安全系數(shù)，計(jì)算出容器壁厚，再加上厚度附加量，經(jīng)查閱最小壁厚尺寸后確定容器壁厚的保險(xiǎn)系數(shù)一般較高，但材料消耗大，經(jīng)濟(jì)性不好。而且，由于存在一定的定性分析，不能做較全面的實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變分析，故容器投入運(yùn)行后仍然存在著隱患。2 SolidWork

6、s簡(jiǎn)介SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬(wàn)，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國(guó)防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂(lè)工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100

7、多個(gè)國(guó)家的約3萬(wàn)1千家企業(yè)。在教育市場(chǎng)上，每年來(lái)自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過(guò)SolidWorks的培訓(xùn)課程。Solidworks軟件特點(diǎn)Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。 SolidWorks 的有限元分析功能SolidWork

8、s 軟件是全球最有影響力的三維軟件之一，它全面采用非全約束的特征建模技術(shù)，其設(shè)計(jì)過(guò)程全相關(guān)性，可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的任何階段修改設(shè)計(jì)，同時(shí)牽動(dòng)相關(guān)部分的改變。它集成了設(shè)計(jì)、分析、加工和數(shù)據(jù)管理整個(gè)過(guò)程，所獲得的分析和加工模擬結(jié)果成了產(chǎn)品模型的屬性，在 SolidWorks 的特征管理器清晰地列出了詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，作為修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。COSMOSWorks 使用當(dāng)今世界上最快的有限元分析算法快速有限元算法（FFE），完全集成在Windwos 環(huán)境并與 SolidWorks 軟件無(wú)縫集成，是SolidWorks 的一個(gè)插件?？焖儆邢拊惴ㄌ嵘藗鹘y(tǒng)算法 50100 倍的解題速度，并降低磁盤(pán)儲(chǔ)存空間

9、，只需原來(lái)的 5%4。更重要的是，使用該技術(shù)，工程設(shè)計(jì)人員能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析與驗(yàn)證，無(wú)須掌握有限元的相關(guān)知識(shí)，獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息?？梢詾楣こ處熖峁?yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、線性和非線性分析等。使用這個(gè)技術(shù)，可使工程師最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高設(shè)計(jì)和產(chǎn)品質(zhì)量。研究方法：1) 利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，繪制壓力容器的三維幾何模型，將模型應(yīng)力分析的插件環(huán)境中打開(kāi)，進(jìn)行應(yīng)力分析。2) 參考應(yīng)力分析結(jié)果，進(jìn)行模型的改進(jìn)，完善模型。3 壓力容器參數(shù)設(shè)定 壓力容器有多種結(jié)構(gòu)形式，最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)為圓柱形、球形和錐形三種。此次設(shè)計(jì)選

10、用圓筒形。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1所示，下面簡(jiǎn)單介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。設(shè)已知條件：一立式空氣儲(chǔ)罐，筒體為圓柱體形狀，內(nèi)徑 D=1000mm，高H=1800mm。封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，D=1000mm。操作壓力 P=3.5MP，安全閥開(kāi)啟壓力=4 MP，常溫，工作介質(zhì)為空氣，計(jì)算后確定壁厚為14mm。選擇橢圓形封頭，取壁厚為與筒體同厚度14mm。用薄膜應(yīng)力校核水壓試驗(yàn)應(yīng)力：t=207MP，故 0.9s=310.5 MP（16MnR 材料）207MP，滿足水壓試驗(yàn)要求。4 用 Solid Works 進(jìn)行三維建模該壓力容器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，回轉(zhuǎn)體建模，只需要使用SolidWorks的”旋轉(zhuǎn)/拉伸”命令。（1） 首

11、先點(diǎn)擊“文件新建”命令，選擇零件文件。（2） 選擇：“草繪”命令，選擇：“上視圖”為基準(zhǔn)平面，進(jìn)行草繪，繪制的草圖如下所示。（3） 添加尺寸與約束。完全約束草圖。完成草圖繪制。（4） 選擇“旋轉(zhuǎn)命令”完成模型的建立，建立的模型如下圖所示。5進(jìn)行有限元分析SolidWorks Simulation概述 SolidWorks Simulation是一款基于有限元（即FEA數(shù)值）技術(shù)的設(shè)計(jì)分析軟件，是SRAC開(kāi)發(fā)的工程分析軟件產(chǎn)品之一。SRAC是DS SolidWorks公司的子公司，成立于1982年，是將有限元分析帶入微型電腦的先驅(qū)。1995年，SRAC開(kāi)始與DS SolidWorks公司合作開(kāi)發(fā)

12、了COSMOSWorks軟件，從而進(jìn)入了工程界主流有限元分析軟件的市場(chǎng)，成為了DS SolidWorks公司的金牌產(chǎn)品之一。同時(shí)，它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無(wú)縫集成，迅速成為頂級(jí)銷售產(chǎn)品。整合了SolidWorks CAD軟件的COSMOS-Works軟件在商業(yè)上取得了成功，并于2001年獲得了Dassault Systemes（DS SolidWorks母公司）的認(rèn)可。2003年，SRAC公司與DS SolidWorks公司合并。COSMOSWorks推出的2009版被重命名為Solid-Works Simulation。 SolidWorks是一款基于特征的參數(shù)化CAD系統(tǒng)

13、軟件。和許多最初在UNIX環(huán)境中開(kāi)發(fā)，后來(lái)才向Windows系統(tǒng)開(kāi)放的CAD系統(tǒng)不同，SolidWorks與SolidWorks Simulation茌一開(kāi)始就是專為Windows操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，所以相互整合是完全可行的。 SolidWorks Simulation有不同的程序包或應(yīng)用軟件以適應(yīng)不同用戶的需要。除了SolidWorks Simula-tionXpress程序包是SolidWorks的集成部分之外，所有的SolidWorks Simulation軟件程序包都是插件式的。不同程序包的主要功能如下： SolidWorks SimulationXpress：能對(duì)帶有簡(jiǎn)單載荷和支撐的零件

14、進(jìn)行靜態(tài)分析。 SolidWorks Simulation：能對(duì)零件和裝配體進(jìn)行靜力分析。 SolidWorks Simulation Professional：能進(jìn)行零件和裝配體的靜態(tài)、熱傳導(dǎo)、扭曲、頻率、跌落測(cè)試、優(yōu)化和疲勞分析。 SolidWorks Simulation Premium：具有SolidWorks Simulation Professional的所有功能，外加非線性功能和動(dòng)力學(xué)分析。 有限元分析概述 在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)中，F(xiàn)EA也稱之為有限單元法，是一種求解關(guān)于場(chǎng)問(wèn)題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。這種類型的問(wèn)題涉及許多工程學(xué)科，如機(jī)械設(shè)計(jì)、聲學(xué)、電磁學(xué)、巖土力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)等。在

15、機(jī)械工程中，有限元分析被廣泛地應(yīng)用在結(jié)構(gòu)、振動(dòng)和傳熱問(wèn)題上。 FEA不是唯一的數(shù)值分析工具，在工程領(lǐng)域還有其他的數(shù)值方法，如有限差分法、邊界元法和有限體積法。然而由于FEA的多功能性和高數(shù)值性能，它占據(jù)了絕大多數(shù)工程分析的軟件市場(chǎng)，而其他方法則被歸入小規(guī)模應(yīng)用。使用FEA，通過(guò)不同方法理想化幾何體，能夠分析任何形狀的模型，并得到預(yù)期的精度。當(dāng)使用現(xiàn)代的商業(yè)軟件，例如SolidWorks Simulation時(shí)，F(xiàn)EA理論、數(shù)值問(wèn)題公式和求解方法對(duì)用戶是完全透明的。 作為一個(gè)強(qiáng)有力的工程分析工具，F(xiàn)EA可以解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種問(wèn)題。一方面，設(shè)計(jì)工程師使用FEA在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中分析設(shè)計(jì)改進(jìn)，由于

16、時(shí)間和可用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的限制，需要對(duì)所分析的模型作許多簡(jiǎn)化。另一方面，專家們使用FEA來(lái)解決一些非常深?yuàn)W的問(wèn)題，如車輛碰撞動(dòng)力學(xué)、金屬成形和生物結(jié)構(gòu)分析。 不管項(xiàng)目多復(fù)雜或是應(yīng)用領(lǐng)域多廣，無(wú)論是結(jié)構(gòu)、熱傳導(dǎo)或是聲學(xué)分析，所有FEA的第一步總是相同的，都是從幾何模型開(kāi)始。在本課程中，即為SolidWorks的零件和裝配件。我們給這些模型分配材料屬性，定義載荷和約束，再使用數(shù)值近似方法，將模型離散化以便分析。 離散化過(guò)程也就是網(wǎng)格劃分過(guò)程，即將幾何體剖分成相對(duì)小且形狀簡(jiǎn)單的實(shí)體，這些實(shí)體稱為有限單元。單元稱為“有限”的，是為了強(qiáng)調(diào)這樣一個(gè)事實(shí)：它們不是無(wú)隈的小，而是與整個(gè)模型的尺寸相比之下適度的小。

17、2.3.1 建立研究（1）定義“研究”。名稱可為“Fenxi”，根據(jù)容器運(yùn)行時(shí)為靜止工作，故選分析類型為“靜態(tài)”。由于容器屬于薄壁回轉(zhuǎn)曲面設(shè)備，選擇網(wǎng)格類型為“使用曲面的外殼網(wǎng)格”，該網(wǎng)格類型是曲面模型的唯一選擇，對(duì)于每一個(gè)殼體可以定義它們各自的殼單元厚度4。在模型樹(shù)上單擊“外殼”圖標(biāo)，選擇“按所選曲面定義”，再單擊容器 5 個(gè)內(nèi)表面，設(shè)置抽殼厚度為 14，完成外殼定義。（2）選擇“應(yīng)用材料到所有”，打開(kāi)材料對(duì)話框，自定義材料（文章選用 16MnR 材料）并將其物理性能參數(shù)編輯到材料屬性信息框中。2.3.2 建立約束、施加載荷（1）右擊“制約/載荷”按鈕，打開(kāi)“制約”對(duì)話框，選擇制約類型為“使

18、用參考幾何體”，在三維圖形上（圖 2）單擊 14 條邊線定義為約束的邊線，選擇“基準(zhǔn)軸 1”（容器體回轉(zhuǎn)軸線）為參考幾何體。（2）右擊“制約/載荷”按鈕，打開(kāi)“壓力”對(duì)話框，選擇“垂直于所選面”的內(nèi)壓力類型，在圖形上單擊內(nèi)表面的 5 個(gè)面，輸入壓力值為4000000N/m2，為均布載荷，完成壓力定義。（3）根據(jù)容器工作時(shí)上下兩個(gè)法蘭與與管路相連，為固定狀態(tài)，故定義容器上下兩個(gè)法蘭的內(nèi)側(cè)邊線為“固定”約束。2.3.3 系統(tǒng)自動(dòng)劃分網(wǎng)格并運(yùn)行分析運(yùn)用系統(tǒng)的“網(wǎng)格”功能，使用系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格參數(shù)。由于系統(tǒng)具備對(duì)局部幾何形狀變化較大的地方進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化（即加密）功能，考慮到容器壓力較小及形狀簡(jiǎn)單，故采用

19、系統(tǒng)自動(dòng)加密網(wǎng)格化參數(shù)，認(rèn)為可滿足設(shè)計(jì)要求。運(yùn)行“運(yùn)行”命令后，只需很短的時(shí)間（文章中的模型運(yùn)行分析需要約10秒），系統(tǒng)將應(yīng)力、應(yīng)變、位移、變形等圖解和參數(shù)列于模型樹(shù)中，雙擊文件夾下的“圖解”，即可瀏覽相應(yīng)的變形圖和參數(shù)，如圖 3 為應(yīng)力分布云圖和變形圖?，F(xiàn)僅就應(yīng)力進(jìn)行分析。在模型樹(shù)中右擊“報(bào)告”，彈出對(duì)話框，可將分析結(jié)果保存。計(jì)算分析的結(jié)果如下:,該模型是對(duì)稱的,為了使得計(jì)算機(jī)運(yùn)行快捷,故選用了六分之一的模型來(lái)分析:材料屬性：模型參考屬性零部件名稱:1.7131 (16MnCr5)模型類型:線性彈性同向性默認(rèn)失敗準(zhǔn)則:未知屈服強(qiáng)度:5.90594e+008 N/m2張力強(qiáng)度:8e+008 N

20、/m2彈性模量:2.1e+011 N/m2泊松比:0.28 質(zhì)量密度:7800 kg/m3抗剪模量:7.9e+010 N/m2熱擴(kuò)張系數(shù):1.1e-005 /KelvinSolidBody 1(旋轉(zhuǎn)1)(壓力容器)曲線數(shù)據(jù):N/A載荷和夾具夾具名稱夾具圖像夾具細(xì)節(jié)固定-1實(shí)體:13 邊線, 1 面類型:固定幾何體合力零部件XYZ合力反作用力(N)-29847.6-0.00974846-17232.534465反力矩(Nm)0000 載荷名稱裝入圖象載荷細(xì)節(jié)壓力-1實(shí)體:5 面類型:垂直于所選面值:40000單位:N/m2網(wǎng)格信息網(wǎng)格類型實(shí)體網(wǎng)格所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格自動(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉包括網(wǎng)格自動(dòng)

21、環(huán): 關(guān)閉雅可比點(diǎn)4 點(diǎn)單元大小30.1623 mm公差1.50812 mm網(wǎng)格品質(zhì)高網(wǎng)格信息 - 細(xì)節(jié)節(jié)點(diǎn)總數(shù)16080單元總數(shù)7806最大高寬比例7.1615單元 (%)，其高寬比例 100扭曲單元(雅可比)的 %0完成網(wǎng)格的時(shí)間(時(shí);分;秒): 00:00:04計(jì)算機(jī)名: LOUIS-PC合力反作用力選擇組單位總和 X總和 Y總和 Z合力整個(gè)模型N-29847.6-0.00974846-17232.534465反作用力矩選擇組單位總和 X總和 Y總和 Z合力整個(gè)模型Nm0000算例結(jié)果名稱類型最小最大應(yīng)力1VON:von Mises 應(yīng)力1730.92 N/m2節(jié): 160797.664

22、2e+006 N/m2節(jié): 1414壓力容器-算例 2-應(yīng)力-應(yīng)力1名稱類型最小最大位移1URES:合位移0 mm節(jié): 60.0172963 mm節(jié): 8149壓力容器-算例 2-位移-位移1名稱類型最小最大應(yīng)變1ESTRN :對(duì)等應(yīng)變8.82835e-009 單元: 1011.92054e-005 單元: 6832壓力容器-算例 2-應(yīng)變-應(yīng)變1名稱類型位移11變形形狀壓力容器-算例 2-位移-位移11 優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1 有限元分析結(jié)果分析從圖 3 可得出結(jié)論，在給定條件下，容器上應(yīng)力最大值出現(xiàn)在法蘭和筒體的結(jié)合處（用紅色表示），為 2.480108N/m2，小于材料的屈服極限，是安全的。同時(shí)

23、，其范圍較小，這一點(diǎn)與容器設(shè)計(jì)理論相一致開(kāi)孔會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；應(yīng)力最小值出現(xiàn)在封頭與筒體結(jié)合部附近（用藍(lán)色表示），為 2.462107N/m2，安全性高，材料富裕度較大。按照材料的屈服應(yīng)力 3.45108N/m2計(jì)算，則該容器的平均安全系數(shù)（屈服應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力的比值）約為 3.92，超過(guò)了傳統(tǒng)理論一般所取的1.6 的屈服點(diǎn)安全系數(shù)。1.2 母材性能分析 本次罐體所用的材料主要是16MnR，屬于熱軋鋼，是壓力容器的常用鋼。是通過(guò)Mn、Si等合金元素的固溶強(qiáng)化作用來(lái)保證鋼的強(qiáng)度，屬于C-Mn或Mn-Si系鋼。1.2.1 材料化學(xué)成分及力學(xué)性能 材料的化學(xué)成分主要包括C、Si、Mn 、S、 P等化學(xué)元素，而其力學(xué)性能也主要受這幾種元素含量的變化的