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高压闪蒸槽压力载荷作用下整体等效模型的应力分析1问题描述1.1工程背景 物质的沸点是随压力增大而升高，那么是不是压力越低，沸点就越低呢。 那好，这样就可以让高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。这时，流体温度高于该压力下的沸点。 流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。 使流体达到气化的设备不是闪蒸罐，而是减压阀。 闪蒸罐的作用是提供流体迅速气化和汽液分离的空间。1.2内衬材料结构与计算参数1.2.1 砖结构 外层：230(轴向)×200（环向）×60（径向）；中层：230(轴向) ×65（环向）×131（径向）；内层：230(轴向) ×65（环向）×131（径向）。 1.2.2 胶泥 从壳壁至中心依次为： Dolit 788+Dolit 788+Stellakitt AE； 每层砖之间胶泥厚度为 6mm； 每个砖缝之间胶泥厚度为 4mm（环向砖缝和垂直砖缝）1.2.3 隔离层 钢壳体与最外层砖之间设置隔离层：即6mm厚的铅；4mm 陶瓷纸。1.2.4 载荷设计压力：4.56Mpa应力分析所需相关材料的性能参数详见附件。1.3高压闪蒸槽设计图纸要进行高压闪蒸槽压力载荷作用下整体等效模型的应力分析，最为关键的应该是该问题等效模型的建立以及后处理分析。等效模型为壳体，采用shell181单元，以此单元建立层层壳模型。通过应力分析、位移分析从而得出高压闪蒸槽在所给高压下其强度、刚度等是否能够满足要求。2所用单元介绍：shell 181SHELL181适合分析薄的及中等厚度的板壳结构零件。它一个单元有四个结点，每个结点有六个自由度，即沿X，Y，Z方向的移动自由度和转动自由度。退化“三角形”选项，只能过滤单元化分网中使用。SHELL181 支持线性，大扭转和大应变，变厚度非线性分析。它既能用完全法也可用缩减法，可用于分布载荷及应力刚化。 SHELL181可用于多层材料模型。 shell181的厚度是通过两种方式定义的，即section和实常数两种。而这两种当中的优先在于定义的section，其次是考虑实常数。SHELL181 是四节点三维壳单元，每个节点有六个自由度。该单元支持所有的非线性功能（包括大应变），允许有多达 250 层材料层。这种方法由下到上一层一层定义材料层的配置。底层为第一层，后续的层沿单元坐标系的Z轴正方向自底向上叠加。3模型的建立及求解后处理3.1模型建立过程的分析该分析的模型为壳体，则关键为面的建立。采用与筒仓相类似的模型建立方法由底向上建立几何模型，即先生成关键点，再由点生成线，之后由线生成面。最后对所得的面进行操作得到几何模型。由于采用层层壳模型，则对陶砖与胶体混合层需要对其弹性模量E和泊松比进行等效，使之简化为一层壳。建立等效模型，首先就是要有正确的关键点。由于在模型建立的过程中涉及到有线绕轴生成面这一步骤，故再由点生成线的过程中，点的连接顺序就显得很重要。如果连接的方向错了，其法线方向则会反向，那么就会发现方向会导致在施加均布内压时，压力的方向不正确，扩展壳体时材料的的叠放顺序与实际顺序相反等一系列问题。最终导致求解结果的不正确。采用section来定义壳的厚度。鉴于模型的形状故采用映射网格对其进行剖分。在后处理中由于需要看不同部位的应力与位移，故需要分别建立局部坐标。3.2分析的GUI路径1 进入ANSYS定义作业名为“kcsj”2设置计算类型 Main Menu: Preferences select Structural OK3选择单元类型 Main Menu: Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete Add 选择shell 181 OK，Options All layer OK.4定义材料参数 Main Menu: Preprocessor Material Props Material Models Structural Linear Elastic Isotropic 分别定义13种材料的弹性模量与泊松比 OK5定义壳的厚度 Main Menu: Preprocessor Section Shell Lay-ups Add/EditOK6.生成几何模型6.1生成关键点 Main Menu: Preprocessor Modeling Create Keypionts In Active CS 1（0,4.69）Apply按上述步骤依次生成2至33号关键点34(-3.5,-1.71)OK6.2由点生成线 Main Menu: Preprocessor ModelingCreate Lines Straight Line 依次连接OK Main Menu: Preprocessor ModelingCreate Lines Splines 依次连接关键点OK6.3由线生成面 Main Menu: Preprocessor ModelingOperateExtrudeLinesAbout Axis选择线Apply选择2个轴线点ApplyARC输入360， NSEG输入8Apply按照以上步骤依次生成筒体、管口a、管口b、管口c、管口d、管口e1、管口e2的面OK6.4 采用布尔操作分割面Main Menu: Preprocessor ModelingOperateBooleanPartitionAreas Pick All6.5 删除多余的面 Main Menu: Preprocessor Modeling Delete Areas and below选择多余的面OK6.6 将面粘在一起Main Menu: Preprocessor ModelingOperateBooleanGlueLines Pick All即得几何模型，如图3.2.17.网格划分7.1. 附属性 MeshingMesh AttributesPicked Areas分别选择在SECT中选择其对应的SectionOK7.2网格划分Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh ToolGlobal: Set 设置为0.15AreasMesh（用free网格） Pick All即得有限元模型，如图3.2.2示：图3.2.1图3.2.28.边界条件的施加过程8.1施加位移约束Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Lines.拾取筒下部的8根线 OK选择ALL DOFSOK 8.2施加均布压力 Main Menu: Solution Define Loads Apply Structural Press On AreasPick All 输入4.56e6OK9分析计算 Main Menu: Solution Solve Current LS OK10.建立局部坐标：10.1 Utility Menu：WorkPlaneOffset WP by Increments 分别旋转，使工作平面旋转至所需要的方向OK10.2 Utility Menu：WorkPlaneOffset WP to Keypoints选择关键点OK10.3 Utility Menu：WorkPlaneLocal Coodinate SystemsCreate Local CSAt WP Origin建立相应的局部坐标OK11结果显示11.1图形输出坐标系选择 Main Menu：General PostprocOptions for Outp选择相应的坐标系OK11.2云图的选择Main Menu：General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal SolDisplacement 进行选择OKMain Menu：General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal SolStress 分别选择三个方向的应力OK4.结果分析 经过模型的建立以及求解后处理，问题的关键落到了对后处理结果的分析上来。下面将从刚度（位移）、强度（应力）以及网格密度三个方面对后处理的结果进行分析，最终得到该模型安全与否。4.1 刚度分析图4.1.1图4.1.2图4.1.3图4.1.4图4.1.1为筒体的径向位移图，最大位移出现在筒体中部，为2.263mm，位移关于对称轴呈对称。图4.1.2为筒体的环向位移图，最大位移为1.947mm，位移关于对称轴呈反对称。图4.1.1为筒体的轴向位移图，最大位移出现在筒体顶部，为1.736mm，位移关于对称轴对称。图4.1.1、4.1.2、4.1.3的位移图关于对称轴所呈现的对称行与弹性力学中的结论是一致。这说明所得的结果有一定的可信度。分别对管口a、管口b、管口c、管口d、管口e1、管口e2进行分析可以得出与此相类似的结论，故不再一一赘述。图4.1.4为模型整体的合位移图。最大位移为2.372mm, 最大的位移发生在筒体的中间部位。位移相对较小，故可认为其刚度基本上满足要求，则在之后的分析中应主要考虑其强度问题。4.2应力结果分析由于本问题为非线性问题，故不能由等效应力云图判断整个闪蒸槽安全与否。且筒体由多种材料组成要判断安全与否还需进一步的后处理分析。下面分别对筒体、管口a、b、c、d、e1、e2进行分析。而在筒体、管口a、b、c、d、e1、e2这些组成部分中，主题为筒体，管口a、b、c、d、e1、e2为次要部分。故在以后的分析中以筒体为主，其余为辅。4.2.1筒体应力分析图4.2.1.1图4.2.2.2图4.2.1.1为筒体径向应力云图，最大应力为77.2MPa,出现在筒体底部。应力图对称，与实际相符。但陶砖安全与否需进一步讨论。图4.2.1.2为筒体底部所选单元径向应力云图， 最大应力发生在钢壳层，内层的陶砖所受的拉应力最大值为4.95Mpa，小于其抗拉强度。从强度方面说，该单元径向是安全的。图4.2.1.3图4.2.1.4图4.2.1.3为筒体第一层AE胶径向应力云图，最大应力为6.4MPa。最大拉应力小于该胶体的抗拉强度，故该胶层安全。图4.2.1.4为筒体第五层VP788径向应力云图（第三层胶体径向最大应力小于第五层），最大应力为3.38MPa。最大拉应力小于该胶体的抗拉强度，故该胶层安全。由以上分析可知，陶砖、胶体皆安全。图4.2.1.3图4.2.1.3图4.2.1.5图4.2.1.6图4.2.1.3为筒体环向应力云图，最大应力为212MPa,呈对称。由对筒体径向应力的类似分析可知最大应力出现在钢层。对陶砖、胶体其应力状态还不清楚，需要进一步分析。图4.2.1.4为筒体底部所选单元环向应力云图， 最大应力发生在钢壳层，内层的陶砖所受的应力较小，小于其抗拉强度。对于钢壳层虽然最大的拉应力较大，但是仍小于其抗拉强度，为安全状态。图4.2.1.5为筒体第一层AE胶环向应力云图，最大压应力4.36Mpa，最大拉应力31.8MPa，超过了其抗拉强度，但是胶体是受弯的且其抗弯强度很大，故可认为不被破坏。图4.2.1.6为筒体第三层VP788径向应力云图（第三层胶体的径向最大应力大于第五层），最大压应力1.82Mpa，最大拉应力24.1MPa，超过了其抗拉强度，但是胶体是受弯的且其抗弯强度很大，故可认为不被破坏。图4.2.1.7图4.2.1.7为筒体第一层陶砖径向应力云图（陶砖层中该层的应力最大），最大压应力2.07Mpa，最大应力为25.5Mpa，陶砖受弯。最大应力小于该胶体的抗弯强度，但是这种较大应力的存在只是在极小范围内的，而且在闪蒸槽中，砖的主要作用是抗腐蚀，故这种小范围内的开裂是可以接受的，故可认为该陶砖层安全。胶体陶砖的应力如下表:AE胶VP788陶砖最大拉应力（Mpa）31.824.125.5最大拉应力出现层132由以上分析可知，陶砖、胶体环向皆安全。下面对其进行轴向应力的分析图4.2.1.8 图4.2.1.9图4.2.1.8为筒体轴向应力云图，对称。最大应力出现在管口e2附近，最大值为90.7 MPa。图4.2.1.9为筒体第六层陶砖层的轴向应力云图，最大应力3.72MPa，小于其抗拉强度。因而陶砖应力安全。则最外层钢壳不会被腐蚀。对筒体、管口a、管口b、管口c、管口d、管口e1、管口e2而言，钢材的抗拉强度较高，在所加荷载条件下，一般不会出现被拉坏的情况；而陶砖和胶体的抗拉强度较低，容易出现被拉坏的情况，故应将重点放在对陶砖和胶体的应力分析上。由对筒体的应力分析可以知道，对筒体而言，径向应力和轴向应力比环向应力小。也就是说对筒体决定其安全与否的是其环向应力。故在对之后的管口a、管口b、管口c、管口d、管口e1、管口e2的分析中主要关心其环向应力。4.2.2管口a应力分析图4.2.2.1图4.2.2.2图4.2.2.3图4.2.2.4图4.2.2.1为管口a的环向应力图，陶砖的应力较钢壳层较小，呈对称。图4.2.2.2为管口a第一层AE胶环向应力云图，最大拉应力6.65MPa，小于其抗拉强度，故可认为不被破坏。图4.2.2.3为管口a第二层的陶砖径向应力云图（第二层胶体的径向最大应力大于第四、六层），最大应力为6.69MPa。最大拉应力小于该陶砖的抗拉强度，故该胶层安全。图4.2.2.4为管口a第五层VP788径向应力云图（第三层胶体的径向最大应力小于第五层），最大应力为7.34MPa。最大拉应力大于该胶体的抗拉强度，但由应力云图可知，胶体应力不均匀，胶体可以说是受弯的，但是其抗弯强度大，且里层未被破坏，故该胶层安全。由以上的4张图可以知道管口a的强度是符合要求的，不被破坏。胶体陶砖的应力如下表:AE胶VP788陶砖最大拉应力（Mpa）6.657.346.69最大拉应力出现层1524.2.3管口b应力分析图4.2.3.1图4.2.3.1图4.2.3.3图4.2.3.4图4.2.3.1为管口b的环向应力图，呈对称。对陶砖、胶体还需要进行进一步的分析。图4.2.3.2为管口b的第一层AE胶环向应力云图，最大拉应力12.2MPa，超过了其抗拉强度，但是胶体是受弯的且其抗弯强度很大，故可认为不被破坏。图4.2.3.3为管口b第二层陶砖环向应力图，呈对称。陶砖部分受压，部分受拉，陶砖应力为部分陶砖的应力可能超过其抗拉强度，但由于应力不是均匀的, 即陶砖处于弯曲状态。且其抗弯强度较大，故可以认为陶砖不被破坏。图4.2.3.4为管口b第三层VP788径向应力云图（第三层大于第五层），最大拉应力11.8MPa，超过了其抗拉强度，但是胶体是受弯的且其抗弯强度很大，故可认为不被破坏。图4.2.5图4.2.3.5为管口b的第四层陶砖的环向应力云图，最大应力为4.3Mpa，小于陶砖抗拉强度，不被破坏，因而钢壳层不会被腐蚀。由以上的5张图可以知道管口b的强度是符合要求的，不被破坏。胶体陶砖的应力如下表:AE胶VP788陶砖最大拉应力（Mpa）12.211.811.4最大拉应力出现层1324.2.4管口c应力分析图4.2.4.1图4.2.4.2图4.2.4.3图4.2.4.4图4.2.4.1为管口c的环向应力图，陶砖的应力较钢壳层较小，应力云图呈对称。图4.2.4.2为管口c的第一层AE胶环向应力图，最大拉应力5.64MPa，小于其抗拉强度，故可认为不被破坏。图4.2.4.2为管口c的第二层陶砖环向应力图，最大拉应力5.34MPa，小于其抗拉强度，故可认为不被破坏。图4.2.4.2为管口c的第三层VP788胶环向应力图，最大拉应力5.65MPa，略大于其抗拉强度，但胶体受弯，抗弯强度较大，故可认为不被破坏。由以上的4张图可以知道管口c的强度是符合要求的。胶体陶砖的应力如下表:AE胶VP788陶砖最大拉应力（Mpa）5.645.655.34最大拉应力出现层1324.2.5管口e1应力分析图4.2.5.1图4.2.5.2图4.2.5.3图4.2.5.4图4.2.5.1为管口e1的第一层AE胶环向应力图，最大拉应力14.6MPa，虽然大于其抗拉强度，但是受力不均匀为弯曲状态，且胶体的抗弯强度很大，故可认为基本不被破坏。图4.2.5.2为管口e1的第二层陶砖环向应力图，最大拉应力13.4MPa，虽然大于其抗拉强度，但是受力不均匀为弯曲状态，且最大应力小于其抗弯强度，故可认为基本不被破坏。图4.2.5.3为管口e1的第三层VP788胶环向应力图，最大拉应力13.0MPa，虽然大于其抗拉强度，但是受力不均匀为弯曲状态，且最大应力小于其抗弯强度，故可认为基本不被破坏。图4.2.5.4为管口e1的第四层陶砖环向应力图，最大拉应力4.96MPa，小于其抗拉强度，故可认为该层不被破坏。由以上的4张图可以知道管口e1的胶体、陶砖强度是符合要求的，即不被破坏。因而钢壳层不被腐蚀，为安全状态。胶体陶砖的应力如下表:AE胶VP788陶砖最大拉应力（Mpa）14.613.013.4最大拉应力出现层132对于管口d其环向应力的分析与管口a其环向应力的分析类似，对管口e2其环向应力的分析与管口e1其环向应力的分析类似。且由力学知识可以知道管口d较管口a安全，管口e2较管口e1安全，由上述分析可知安全，故管口d、管口e2一定安全。故不再对管口d、管口e2进行环向应力的分析。4.3网格加密后分析比较图4.3.1图4.3.2图4.3.1、图4.3.2分别为网格加密后所得的位移与筒体的径向应力图，最大位移为2.361mm，对筒体最大的径向应力为76.6MPa，与未加密网格时的结果2.372mm与77.2MPa，相差不多，但网格加密所需要的分网时间与求解时间都大大长于之前，而结果相差却小于1%，所以原有的网格密度已经可以满足精度与时间的要求，不必再进行网格加密。结论：经过对后处理所得的各部分云图的分析，可知结构仅在所给高压作用下，钢材的强度满足要求；对于陶砖虽然有些部分的应力超过了其抗拉强度，但是受力不均匀即陶砖处于弯曲状态，加之陶砖本身的抗弯强度较高，所受拉应力与抗弯强度相当，且较大应力的出现只是局部，可认为不被破坏。就不会发生钢壳层的腐蚀破坏，故可以认为该高压闪蒸槽各层的强度、刚度都满足满足要求，即不被破坏，处于安全状态。建议：虽然高压闪蒸槽各层的强度、刚度都近似满足满足要求，但是可以看出其安全系数还是较低的，也就是说还需要进行一定的加强，而从以上的分析可以看出需要加强的主要是环向，对各管口而言在与主体筒部分会出现较大应力，故可以在管口a、管口b、管口c、管口d、管口e1、管口e2与主体筒连接的部位加强。5.心得与体会为期两周的ANSYS课程设计让我学到了很多东西，在课程设计的过程中有过失望，有过迷惘，有过不解，也有过喜悦，更有过小小的成就感。当刚开始拿到题目时，有一种一团雾水的感觉。毕竟是第一次接触这种工程问题，经过老师的一番指点后，开始有了建立模型的基本思路。经过自己的一系列的琢磨与摸索后，可以建立基本的模型。但是我却犯了一个重大的错误就是没有注意单位的封闭。结果导致在求解的时候，节点的位移过大而无法得到结果。当时我就傻眼了，开始了一步步的检查，经过仔细的思考我找到了问题的所在。也就是在那一刹那，我深深地认识到了单位封闭的重要性。但是设计的过程中的问题又岂止这一个，由于在连线的过程中没有注意连接的方向，导致了线的法线方向相反。又是一次修改的过程，又是一次理解深入的提高。本以为求解完后，就没什么了。报告一天就可以完成。当真正开始动笔写报告的时候，才发现自己之前是大错特错。作报告的过程中，我发现得出后处理云图很简单，对后处理的结果进行分析才是最难的，一张图表述了什么，又告诉了我们信息，从这些信息中又能够得出什么结论。这才是最重要的，也是设计的最终目的所在。总而言之，通过这次课程设计我学会了许多东西。在建模过程中，让我学到了建模技巧，更锻炼了我的耐心和细心。通过自己对结果作分析，写报告，锻炼了自己分析问题的能力。这也让我认识到自己还有很多不足之处。在今后的日子里，我还需要多锻炼，提高自己利用ANSYS分析问题，解决问题的能力。