高压圆柱壳与球形封头连接区可靠性分析

摘要

压力容器早期主要用于化学工业,压力多在10兆帕以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现以后,要求压力容器的压力达100兆帕以上。随着化工和石油化工等工业的发展,压力容器的工作温度范围也越来越宽。20世纪60年代开始,核电站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求,从而促进了压力容器的进一步发展,广泛应用于各工业部门。1986年4月26日,世界上最严重的核事故在苏联切尔诺贝利核电站发生。这一灾难性事故向人们发出了安全警告,所以压力容器的安全性也就越来越引起人们的关注。本文以16兆帕下的压力容器壳体作为算例,应用有限元分析软件ANSYS来模拟压力实验。首先确定各个部分的几何参数及其标准差。并且对模型进行了确定性的有限元分析,由于结构是回转体,故其简化模型为二维模型右端上半部分。通过对其精确建模和网格划分并进行最终求解,得出在既定的压力下的最大最小应力分布区域及最大最小应力值,分析了该结构在确定压力下的应力分布情况。在此基础上又对模型进行了随机的有限元分析,定义可靠度功能函数Z=yies-maxs,应用蒙特卡罗拉丁超立方法及响应面法,模拟抽样次数进行计算,求出该结构的可靠度。通过抽样显示过程图展示了整个计算过程呈收敛状态,同时也说明对该模型选定的随机运算次数足够多,求得的运算结果足够可靠。最后,对该算例输出变量的最大节点等效应力maxs和输出功能函数Z的灵敏度进行了分析,为接下来的改进设计参量以便提高该结构的可靠度提供了有力的现实依据。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 压力容器及其发展概述

1.1.2 可靠性理论及其应用

1.1.3 压力容器结构及其特点

1.2 国内外发展现状及本课题研究内容

1.2.1 压力容器国内外现状

1.2.2 可靠性研究现状

1.2.3 本文的主要内容

第二章 有限单元法简介

2.1 有限单元法概念及相关软件

2.1.1 有限单元法的定义

2.1.2 有限单元法的发展

2.1.3 ANSYS 程序介绍

2.1.4 ANSYS 功能简介

2.2 有限元数学理论

2.2.1 单元的位移函数及插值函数

2.2.2 应变矩阵的应力矩阵

2.3 高压容器的有限元分析

2.4 过渡段可靠性分析

2.5 本章小结

第三章 高压柱壳与封头过渡区的有限元分析

3.1 问题概述

3.1.1 问题的提出

3.1.2 问题分析

3.2 模型的有限元计算

3.2.1 模型的建立

3.2.2 网格的划分

3.2.3 约束及表面载荷的施加

3.2.4 求解结果

3.3 本章小结

第四章 高压柱壳与封头过渡段随机有限元分析

4.1 问题概述

4.1.1 问题的提出

4.1.2 问题分析

4.2 结构可靠度方法及步骤

4.2.1 蒙特-卡罗法

4.2.2 可靠性分析过程

4.2.3 可靠性分析步骤

4.2.4 可靠性分析

4.3 可靠性分析

4.3.1 功能函数的选择

4.3.2 定义随机输入变量与输出变量

4.3.3 选择运算方法

4.3.4 确定运算次数

4.3.5 结果后处理

4.3.6 优化改进

4.4 本章小结

第五章 结论

5.1 全文总结

5.2 后续展望

5.2.1 材料的应用

5.2.2 灵敏度分析

5.2.3 系统的可靠性

参考文献

致谢

附图