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摘 要

锻制平封头在高压小直径容器中应用较多，开展平封头先进设计方法的研究对于高压过程装备的轻量化具有重要意义。

本文的目的首先是对课题所给算例中的平封头根据常规设计方法进行强度校核，然后基于ANSYS软件，根据分析设计法中的极限载荷法和弹塑性法分别对课题中给的算例封头所需厚度进行计算。对分析设计方法与常规设计方法所计算得出的结果进行比较,发现根据分析设计法设计的封头厚度更小，显然更加经济。

本文还对锻制平封头转角半径对封头强度的影响作了研究，发现转角半径对封头强度是有一定影响的，基本趋势是转角半径越大，平封头的承载能力就越大，但是当转角半径大到一定值后，对承载能力的影响可忽略。

关键词：锻制平封头　转角半径　极限载荷　弹－塑性分析

ABSTRACT

Forged flat head is always used in the small-diameter and high pressure equipment. The advanced design method research on the flat head is important to the light weight of the high pressure process equipment.

In this thesis, the strength of the forged flat head is firstly to checked according to the conventional design. Then the desired thickness of the forged flat head is calculated based on ANSYS software according to the analysis method of limit load and plastic-elastic. The comparison between the thickness from conventional design method and design-by-analysis shows that the thickness from that later method is more smaller and economical.

The effect of the corner radius of forged flat head on the loading capacity is also investigated. The results shows that the corner radius of head is more larger, the carrying capacity of it is more greater. But the corner radius of head almost has no impact on the carrying capacity of the head when it comes to a certain value.

Key words: Forged flat head;The corner radius;Limit load;Analysis of plastic-elastic

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2高压平封头常用的设计方法概述 1

1.2.1 ASME应力分析法 1

1.2.2 巴赫法 1

1.3平封头的应力分析 2

1.3.1 应力分类基础 2

1.3.2 平封头的应力情况 2

1.3.3 平封头应力集中情况 2

1.3.4 应力分析方法概述 3

1.4平封头强度校核准则 3

1.4.1 塑性失效准则理论基础 4

1.4.2弹塑性失效设计准则理论基础 4

1.5平封头的有限元分析计算 5

1.5.1有限元法的产生 5

1.5.2有限元法的基本思想 5

1.5.3有限元法的特点 6

1.5.4锻制平封头的有限元模型简介 6

1.6过渡区圆弧半径对封头强度影响的研究进展 7

第二章 平封头的塑性设计 8

2.1课题简述 8

2.1.1根据GB150-2011设计平封头 8

2.1.2结果分析与比较 9

2.2利用ANSYS软件根据塑性失效设计准则计算平封头厚度 10

2.2.1有限元分析步骤 10

2.2.2有限元几何模型 10

2.2.3有限元模型边界条件与网格 11

2.2.4材料性能 12

2.2.5ANSYS有限元求解极限载荷理论根据 12

2.2.6ANSYS计算结果 13

2.3利用有限元软件分析转角半径对极限载荷的影响 14

2.3.1ANSYS软件计算数据 14

2.3.2数据处理与分析 16

第三章 平封头的弹-塑性设计 19

3.1弹-塑性设计 19

3.1.1弹-塑性分析特点 19

3.1.2塑性理论介绍 19

3.2利用ANSYS软件根据弹塑性设计准则设计平封头厚度 21

3.2.1ANSYS软件中关于塑性选项设置的介绍 21

3.2.2塑性选项设置 22

3.3利用ANSYS软件计算封头厚度 22

3.3.1有限元几何模型 22

3.3.2有限元边界条件 23

3.3.3ANSYS计算结果 24

3.3.4结果分析 24

第四章 结论与展望 25

4.1结论 25

4.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1引言

锻制平封头多用于高压小直径压力容器场合，属于直接承受内压的构件，其强度是否合格直接影响整个容器的安全，故而其重要性不言而喻。对于平封头的设计校核多年来也是在不断更新进步，但在国内基于弹性理论的设计方法还是主流，应用较为广泛，无论是理论还是经验数据都已经比较成熟，基于弹性理论的设计方法设计的封头的厚度也偏厚，过于安全，不太经济，这也是可以理解的。基于极限载荷理论和弹塑性理论的设计方法还是比较有前景的，其中极限载荷分析是简化了的相对保守的分析设计方法，弹塑性分析设计方法更贴近实际情况，但这两种设计方法在国内应用实例还不是很多，缺乏经验，所以对其进行研究具有一定的意义。将来弹塑性分析也肯定会成为分析设计的主流，故而利用有限元软件对其进行数值研究具有一定的意义。

高压平封头的设计方法通常有两种,上面介绍的是根据平板理论, 在既定条件下校核其最大弯曲应力, 即ASME法。另一种是对平封头的径向断面进行弯曲应力校核, 同时对薄弱处的环向断面进行由弯曲应力和剪切应力构成的当量应力校核, 即巴赫法^[1]。但本文主要研究设计方法为ASME应力分析法的后两种，即极限载荷法和弹塑性分析法。

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