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摘 要

本文主要围绕家用热水器内胆的底部的碟形封头展开了一系列研究和优化，首先介绍了研究的背景和意义，在对研究中可能存在的问题和解决方案进行了描述，其次介绍了封头承受外压的研究现状。

再者根据要求使用ANSYS建立原始模型，对碟形封头进行了预应力加载，再对其进行特征值屈曲，获得屈曲后的形变按一定比例作为封头的初始几何缺陷施加在理想模型上，进行非线性屈曲分析，获得结果验证模型的合理性；改变初始几何缺陷的大小，研究几何缺陷的大小对碟形封头屈曲压力的影响；改变封头的壁厚，研究封头壁厚对屈曲压力的影响；再根据给定的最大工作压力，逐渐碟形封头的壁厚，优化产品的设计，进行了经济性分析。

最终得到封头壁厚对屈曲压力的影响较为显著；初始几何缺陷较小时，对封头屈曲压力影响不大，随着几何缺陷的增加，其影响逐渐上升。

关键词：碟形封头 凸形封头 屈曲分析 外压 有限元

Buckling analysis of thin-walled torispherical head

Abstract

This article mainly carried out a series of research and optimization around the torispherical head at the bottom of the domestic water heater water tank. First, the background and significance of the study were introduced. In the study, possible problems and solutions were described, and then the research status of the head subjected to external pressure was introduced.

Furthermore, according to the requirements, ANSYS was used to build the original model. The torispherical head was pre-stressed and then eigenvalue buckled. A certain percentage of the deformation obtained after buckling was applied to the ideal model as the initial geometric defect of the head, and a nonlinear buckling analysis was performed. The obtained results verified the rationality of the model. The size of the initial geometric defect was changed to study the effect of the size of the geometric defect on the buckling pressure of the torispherical head. The wall thickness of the head was also changed to study the effect of the wall thickness on the buckling pressure. According to the given maximum working pressure, the wall thickness of the torispherical head was gradually optimized, to optimize the product design, and the economic analysis was then carried out.

Finally, it was found that the thickness of the head wall had a significant effect on the buckling pressure. When the initial geometric defect was small, it had little effect on the buckling pressure of the head. As the geometric defect increased, its effect gradually increased.

Key Words: Torispherical head; Convex head; Buckling analysis; External pressure; Finite element

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的和意义 1

1.3 凸形封头的屈曲分析研究现状 2

1.3.1碟形封头概况 2

1.3.2 凸形封头受外压的有限元分析 3

1.3.3 碟形封头受内压的有限元分析 7

1.4 课题思路 8

第二章 有限元模型的建立 9

2.1 单元和材料设置 9

2.2模型建立 10

第三章 有限元分析 13

3.1 特征值屈曲 13

3.2 非线性屈曲分析 17

3.2.1 初始几何缺陷的施加 17

3.3.2 碟形封头壁厚对封头屈曲的影响 21

3.3 经济性评价 24

第四章 结论 26

4.1结论 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 研究背景

在城市的建设中所使用的各类储水罐、储气罐和储油罐中，各种工业燃气、燃料液体和其它化工原料的运输和存放中，必不可少的运用到压力容器。作为压力容器中至关重要也不可或缺的一部分的封头，在其中起到十分重要的作用；就受力情况，对比球形封头和椭圆形封头，碟形封头的情况较差，但在加工和制造当中，碟形封头有灵活性大的特点，因而在中、低压的压力容器中，其被广泛的应用。所以对于碟形封头的稳定性及安全方面被广泛的研究，从受内压、外压到组合载荷等多种条件下，碟形封头的受力、屈曲和应力情况等有许多的研究。

1.2 研究目的和意义

压力容器广泛地运用于存储和运输各种工业用气、液体，还用于城市建设的各种高塔储水罐、核电站球形安全壳及深海球形潜水器等，同时也是一种比较容易发生事故的特殊设备。所以在压力容器使用中，为了保障其安全，就需要在其设计阶段对可能发生的得失效方式进行计算。

在实际的工程应用当中，压力容器的破坏或失效事故时有发生，一般破坏或失效的形式有两种类型，强度不足发生破坏和结构失稳；屈曲失稳是大型薄壁压力容器的一种重要的失效模式。因此在设计阶段，除却压力容器强度问题外，压力容器的失稳现象也要着重分析。

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