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 Type→Add/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/Edit→OK6.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 →Modeling→Create →Lines →Straight Line →依次连接→OK Main Menu: Preprocessor →Modeling→Create →Lines →Splines →依次连接关键点→OK 6.3由线生成面Main Menu: Preprocessor →Modeling→Operate→Extrude→Lines→About Axis→选择线→Apply→选择2个轴线点→Apply→ARC输入360，NSEG输入8→Apply→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 →Modeling→Operate→Boolean→Partition→Areas→Pick All6.5 删除多余的面Main Menu: Preprocessor →Modeling →Delete →Areas and below→选择多余的面→OK 6.6 将面粘在一起Main Menu: Preprocessor →Modeling→Operate→Boolean→Glue→Lines→Pick All即得几何模型，如图3.2.17.网格划分7.1.附属性Meshing→Mesh Attributes→Picked Areas→分别选择在SECT中选择其对应的Section→OK 7.2网格划分Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→Global: Set →设置为0.15→Areas→Mesh（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 DOFS→OK8.2施加均布压力Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Press →On Areas→Pick All →输入4.56e6→OK9分析计算Main Menu: Solution →Solve →Current LS →OK10.建立局部坐标：10.1 Utility Menu：WorkPlane→Offset 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：WorkPlane→Offset WP to →Keypoints→选择关键点→OK10.3 Utility Menu：WorkPlane→Local Coodinate Systems→Create Local CS→At 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 Postproc→Options 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 Sol→Displacement →进行选择→OKMain Menu：General Postproc →Plot Results →Contour Plot→Nodal Sol→Stress →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。