柔性卡带式快速开关盲板的应力分析

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1、柔性卡带式快速开关盲板的应力分析摘 要本次设计的课题是柔性卡带式快速开关盲板的应力分析。快速开关盲板是一种适用于石油、化工管道清管器发送筒和接收筒快速开关设备。柔性卡带式快速开关盲板以独特的结构设计在快开盲板系列中优势非常明显，是现今的化工行业中的首选。在本文说明中简要概括介绍了有限元方法的发展史及有限元分析方法的相关概念；以有限元为基础的模拟仿真应用软件ANSYS的发展和简单的使用方法；快速开关盲板在国内外发展的状况以及在石油化工行业中的地位及其技术要求、安全使用。设计的主要任务是对柔性卡带式快开盲板进行结构设计、应力分析计算和强度校核。在设计过程中利用有限元分析方法以及有限元仿真分析软件A

2、NSYS对盲板进行模拟仿真测试。按照设计参数，结合操作条件采用8节点PLANE82单元建立轴对称的力学模型，并对该盲板进行了整体应力分析，得出盲板变形和各向的应力、位移分布状况。并按照JB473295钢制压力容器设计标准对平盖、卡带、筒体及连接管道进行强度校核。关键词：有限元；盲板；应力分析；ANSYSAbstractThis design topic is the flexible band-lock closure stress analysis design. This closure is one kind of suitable for the petroleum, the chem

3、ical pipeline pipe-line cleaner transmission tube and the receive tube split-second-selection equipment. With its especial structure, bandlock closure play an important role in the chemical profession industry. In this article explained the brief summary introduced the finite element method history

4、and the finite element analysis method related concept; Take finite element as foundation simulation application software ANSYS development and simple application method; Split-second-selection blind board in domestic and foreign development condition as well as in petroleum chemical industry profes

5、sion status and its specification, safety handling.Using finite element analysis software ANSYS to design bandlock closure structural, analysis the stress and examination the intensity. Based on the design date, according to the operating condition uses 8 pitch points SOLID82 unit establishment axia

6、l symmetry mechanics model, and has carried on the overall stress analysis to this blind board, obtains stress, displacement distributed condition and the blind board distortion .And defers to JB4732 95 Steel To pin down Pressure vessel the design standard to the board, the bandlock, the tube body a

7、nd the connection pipeline carries on the intensity examination.Keywords: finite element; closure; stress analysis; ANSYS目 录1 序 言12 关于有限元法和ANSYS的介绍32.1 有限元的发展史32.2 有限元法的介绍及基本构架42.3 有限元分析的基本概念52.4 ANSYS软件介绍72.5 ANSYS在现代石油化工行业的应用82.6 ANSYS概述92.6.1 ANSYS软件主要特点92.6.2 ANSYS分析过程102.6.3 ANSYS 数据库102.7 ANSY

8、S 的基本使用112.7.1 A NSYS环境简介112.7.2 ANSYS各窗口的功能112.7.3 ANSYS架构及命令122.8 ANSYS软件的优势：123 压力容器规范标准153.1 GB1501998钢制压力容器释义153.2 快开盲板的中华人民共和国石油天然气行业（SY 25691）214 柔性卡带式快开盲板的结构特点和应用234.1 柔性卡带式快开盲板的安全操作234.2 高速开启以及应用234.3 扭矩设置建议244.4 安全密封244.5 维护和保养254.5.1 柔性卡带式快开盲板推荐使用的润滑油254.5.2 颈部和门的密封面/机械面254.6 技术关键254.7 柔性

9、卡带式快开盲板的系列项目研制的主要研究内容254.8 技术要求265 计算部分盲板、筒体及连接管道的应力分析校核275.1 载荷分析275.1.1 计算数据275.1.2 强度计算条件275.2 结构分析275.2.1 力学模型275.2.2 网格划分285.3 施加载荷并执行求解285.4 强度评定306 结 论33参考文献34谢 辞351 序 言有限元分析是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种现代数值分析方法。它是50 年代首先在连续力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种非常有效的数值分析方法。由于一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解

10、答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，以ANSYS为代表的有限元分析软件，不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。在设计过程中主要任务是对柔性卡带式快开盲板进行结构设计、应力分析计算和强度校核。利用有限元分析方法以及有限元仿真分析软件ANSYS对盲板进行模拟仿真测试。根据盲板、筒体及连接管道的结构特点和载荷特性满足轴对称条件，故采用了ANSYS9.0有限元分析软件提供的轴对称8节点（SOLID82）单元进行网络划分建立轴对称的力学模型，并对该盲板进行了整体应力

11、分析得出盲板结构总的变形图以及盲板、筒体及连接管道的应力分布云图。并按照JB473295钢制压力容器设计标准对平盖、卡带、筒体及连接管道进行强度校核快速开关盲板是一种适用于管道清管器发送筒和接收筒快速开关设备，是为清扫、疏通管线，检查、清理容器而在管口处设置的一种固定式快速开启装置，也称快开阀门。特点主要有：密封性能好、启动迅速、操作容易、安全可靠等，它是长输管道清管系统的主要设备，适用于发送和接收各种类型清管器，亦可作为各种压力容器的收发装置。随着当今石油化工行业的飞速发展，快速开关盲板在输油管道的输油生产的清管作业中的作用越来越明显。它适用于压力管道或压力容器的圆形开口上并能够实现快速开启

12、和关闭，广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中。目前国内设计规范中给出快开盲板的设计主要有两种类型，一种是牙嵌型，另一种是卡箍型。这两种盲板形式与当前国际上先进的快开盲板结构形式相比，显得十分落后。不仅结构形式复杂、笨重，开启机构辅助部件太多，占空间大，特别是手动操作负荷大，使用中开启、关闭十分费力，影响生产，不适用于特殊条件下对盲板的要求。由于其自身的缺陷已经不能够满足当今行业的需要，科研人员在借鉴国外新产品的基础上，设计出比较新式的快开盲板柔性卡带式快开盲板，其强度设计满足国内以及当前国际上主要工业国家的压力容器设计应力分析规范，安全防护装置达到国际同类产品的先进水平。它具有先进的结构形

13、式，密封可靠，手动操作方便，且强度储备合理，使用安全。2 关于有限元法和ANSYS的介绍2.1 有限元的发展史从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。一些应用数学家，物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1960年以后，随着电子数值计算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快。现代有限单元法第一个成功的尝试，是将钢架位移推广应用于弹性力学平面问题，这是Turner，Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到

14、的成果。他们第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程性问题的新局面。1960年Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，是人们开认识了有限单元法的功效。从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面所提到的，Turner、Clough等人开始提出有限单元法时是利用直接刚度法。它来源于结构分析的刚度法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但是它是只能处理一些比较简单的实际问题。19631964年，Besseling，Melosh和Jones等人证明了有限单元法是基于变分原理的里兹（Ritz）

15、发的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普通方法。利用变分原理建立有限方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。从60年代后期开始，进一步利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解方程。有限单元法中所利用的主要是伽辽金（GalerKin）法。它可以用于已经知道问题的微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而进一步扩大了有限单

16、元法的应用领域。三十多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的发展，有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构

17、工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。主要表现在以下几个方面： 增加产品和工程的可靠性 在产品的设计阶段发现潜在的问题 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本 缩短产品投向市场的时间 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费2.2 有限元法的介绍及基本构架目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系差值得到。由于单元形状简单，易于平

18、衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限单元法（finite element method，FEM）：属于力学分析中的数值法，起源于航空工程中矩阵分析，它是把一个连续的介质（或构件）看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定的理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元之间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和结点的位移和应力。简言之，就是化整为零分析，积零为整研究。使用有限元计算分析方法较其他传统的实验应力分析方法有明显的

19、优越性，其优点在于：（1）有限元法能够给出所需要的模型任意部位的应力和位移状态；（2）不仅能给出数据结果，还能由计算机自动给出立体图象；（3）一旦生物医学模型被转化为数学力学模型，就可反复使用同一模型进行各种加载荷状况的计算，保证了模型的完全相似；（4）同一种计算机程序，还可以用来对多种不同模型进行计算分析；（5）由于使用了计算手段，使大量的数据处理变得较为容易，不管研究对象的几何形状、材料性质、支持条件和加载荷方式有多么复杂，都能进行分析，能迅速得出结果。为了验证其分析结果是否正确，有时需要用实验应力分析法如光弹法做抽样实验分析，或用已知的基础知识或临床知识加以验证、判断，得到客观依据，去伪

20、存真，总结出符合实际的规律性，则更具有科学性和可信性。有限元的基本构成节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程系统，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用时必须慎重选择元素型号。自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。有限元方法在电子计算机诞生之后，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的

21、计算方法。经过40年的发展不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益。2.3 有限元分析的基本概念有限元分析是随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种现代数值分析方法。它是50 年代首先在连续力学领域飞机结构静、动态特性分析中应用的一种非常有效的数值分析方法，随后很快就广泛的应用于

22、热传导、电磁场、流体力学等连续性问题求解。如图11所表示：图11 三维实体梁变形图上图是用有限元法对三维实梁的切片进行的变形和应力分析，此图是切片的有限元模型，采用8节点体单元将梁切片划分成为网格，这些网格习惯上称为单元。网格间相互连接的交点成为节点。网格和网格的交线称为边界。从图可知，模型上节点总数是有限的，单元数（网格数）也是有限的，因此成为“有限元法”。这就是“有限元”一词的由来。有限元法分析的思路和作法可以归纳为以下几点：（1）物理模型离散化（划分网格）将需要分析的物理模型离散为由各种单元组成的计算模型，如图所示，这一步称为单元离散，通俗的说法就是将模型划分为网格。离散后单元与单元之间

23、利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数据等应该视问题的性质、所需描述的状态的需要和计算精度而定（一般情况，单元划分越细密则描述应力分布越精确，即越接近实际应力分布，但是所需计算时间越多）。所以有限元分析中的结构已经不是原来的物体或结构物，而是具有同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。因此，通过有限元分析得到的结果必然是近似的，如果划分的单元细密而且合理，则获得的结果会无限接近实际情况，满足过程分析精度的要求。（2）定义单元特性选择位移模式在有限元分析中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量

24、时称为混和法。位移由于容易实现数值计算，所以在有限元分析中位移法应用最广。当采用位移法时，物体或结构离散化后，就可以将单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移表示。这时可以对单元位移分别采用一些能逼近原函数的近似函数进行描述。有限元分析中将位移表示为坐标变量的简单函数，也就是常说的位移函数。定义单元的力学形状根据单元的材料形状、尺寸、节点数目、位置等等参数，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中关键的一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程，导出单元刚度矩阵，这是有限元分析的一个基本步骤。计算等效节点力物理模型离散化后，假定力是通过节点在单元间进行

25、传递，但是，对于实际连续体，力是通过单元的公共界面在单元间进行传递。因此，所有作用在单元边界上的表面力、体积力或者集中力都需要等效的转移到节点上，即用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。（3）组装单元利用结构中力的平衡条件和边界条件将各个单元按照原来的结构重新连接起来，形成整体有限元方程： Kqf （1.1）式中，K整体刚度矩阵；q 节点位移矩阵；f 载荷矩阵。（4）求解未知节点位移解有限元方程Kqf 得到位移。这里，需要根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以了解，有限元分析的基本思路是“先离散再组装”，离散为了进行单元分析，组装为了对整体结构进行分析。2.4 ANS

26、YS软件介绍ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开

27、发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70 年代初期，而近15 年则是CAE 软件商品化的发展阶段。目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。以ANSYS为代表的有限元分析软件，不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。ANSYS在功能上非常强大，主要体现在前后处理能力，得到了大幅度的改进与扩充，使得ANSYS 在功能、性能、

28、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科研尽心服务。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的10.0版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工

29、具。2.5 ANSYS在现代石油化工行业的应用在现代化的石油机械与压力容器设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争要求石油机械与压力容器设备的性能指标大幅度提高，而ANSYS这样的CAE工具，在许多方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推广使用。近十年来，已经有近百不同版本的ANSYS软件在压力容器行业发挥着巨大作用。使ANSYS在压

30、力容器行业占据了国内95%以上的市场份额，成为压力容器分析设计的事实上的标准。ANSYS为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作，为提高我国压力容器的分析设计水平作出了巨大的贡献。承受高温高压的压力容器设计中常常需要进行弹塑性、蠕变、大变形等非线性分析。起停机等变化的工况引起结构的交变应力，疲劳强度亦是容器设计中必需考虑的问题。对于大型容器的结构，静强度设计不能完全满足要求，因而动强度的分析计算能为容器设计所必需的。ANSYS 动力学分析功能可求解结构的非线性时程响应，谱分析可用于结构的地震响应分析。ANSYS 特有的流体单元可解决盛液容器的动力计算，分析盛液容器的模态及地震响应

31、。2.6 ANSYS概述ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。2.6.1 ANSYS软件主要特点（1）ANSYS软件主要特点 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件 唯一具有多物理场优化功能的

32、FEA软件 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件 强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境 （2）支持的图形传递标准： SAT Parasolid STEP 与CAD软件的接口 Unigraphics Pro/ENGINEER Deas Catia CADDS SolidEdge SolidWorks2.6.2 ANSYS分析过程了解了有限元分析的基本概念，下面介绍ANSYS 典型的分析过程。有限

33、元分析是对物理现象（几何变形及载荷状况）的模拟，是对真实情况的数值近似模拟。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值参量模拟真实环境的无限个未知量。ANSYS分析过程中包含三个主要步骤（1）建立有限元模型 建立或导入几何模型 定义材料属性 划分网格建立有限元模型（2）施加载荷并求解 定义约束 施加载荷 设置分析选项并求解（3）查看分析结果 查看分析结果 检验分析结果（验证结果是否正确）2.6.3 ANSYS 数据库ANSYS的数据库指在前处理、求解及后处理过程中ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储输入数据，如模型几何参数、材料属性及载荷状况等；又存储结果数据，如ANSYS分析得到的应力、应

34、变、位移、温度场等。下面介绍常用的ANSYS数据库操作：（1）存储数据库通过File菜单由两种选择，一种是Save as Jobname.db，即将数据存储导Jobname.db 文件中，这里Jobname 是工作文件名，而Save as 是将数据库存储导另外一个文件名上，不改变当前数据库文件状态。数据库文件（扩展名为db）是数据库当前状态的备份。（2）恢复数据库恢复数据库是将数据库文件中数据导入内存，在此过程中，将首先清除当前内存中的数据，然后将之替换成数据库文件中的数据。在File 菜单中可以通过两种方式导入数据。一种是Resume Jobname.db即恢复名为Jobname.db的数据

35、库文件，另一种是Resume from 即导入指定文件名的数据库，但是不改变当前文件名。恢复数据库操作对于分析非常重要，读者需要尽快养成随时进行数据库备份的习惯。2.7 ANSYS 的基本使用2.7.1 A NSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode），另一个是非交互模式（Batch Mode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。运行该程序一般采用 Interactive 进入，这样

36、可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 Run Interactive Now 进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 Interactive 进入交互模式。进入系统后会有6个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为GUI(Graphical User Interface)。 2.7.2 ANSYS各窗口的功能应用命令菜单（Utility Menu）：包含各种应用命令，如文件控制（File）、对象

37、选择（Select）、资料列式（List）、图形显示（Pplot）、图形控制（PlotCtrls）、工作界面设定（WorkPlane）、参数化设计（Parameers）、宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（Help）等。主菜单（Main Menu）：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。工具栏（Toolbar）：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。输入窗口（Input Window）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。图形窗口（Graphic Window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。输出

38、窗口（Output Window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。2.7.3 ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level），二是处理层（Processor Level）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：（1）前置处理（General Preprocessor, PREP7） 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序 材料属性元素切割的产生（2）求解处理（Solution Processor, SOLU） 负载条件 边界条件及求解（

39、3）后置处理（General Postprocessor, POST1或Time Domain Postprocessor, POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。2.8 ANSYS软件的优势：（1）与CAD 软件的无缝集成为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，ANSYS 软件开发了和著名的CAD 软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、

40、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的数据接口，实现了双向数据交换，使用户在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，及时调整设计方案，有效的提高分析效率。（2）极为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否。复杂的模型需要非常精确的六面体网格才能得到有效的分析结果，另外由于许多工程问题求解过程中，模型的某个区域产生极大的应变，单元畸变严重，如果不进行网格重新划分将使求解中止或结果不正确，ANSYS

41、凭借其对体单元精确的处理能力和网格划分自适应技术使其在实际工程应力方面具有很大的优势，受到越来越多用户欢迎。（3）高精度非线性问题求解随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性），而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此ANS

42、YS 公司花费了大量的人力和物力开发适用于非线性求解的求解器，满足用户的高精度的非线性分析的需求。（4）强大的耦合场求解能力有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的数值解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即“热力耦合”的问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使

43、弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动，这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解成为用户迫切需求，ANSYS软件是迄今为止唯一能够进行耦合场分析的有限元分析软件。（5）程序面向用户的开放性ANSYS为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，这些包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构

44、、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。ANSYS的二次开发环境可以满足不同类型用户的需求。利用ANSYS软件，工程师可以构造非常复杂的模型，并将模型置于各种复杂环境下进行分析，有效评估设计的合理性，使设计达到最优化，减少实际检验所需的投资，有效的降低产品设计周期，提高利润。3 压力容器规范标准3.1 GB1501998钢制压力容器释义适用范围国家标准GB150-1998钢制压力容器在下列适用范围内是必须遵循的规定。（1）设计压力设计压力最高为35MPa，最低为0.1MPa。其中的最高设计压力35MPa系沿袭中国石油化工总公司和机械、化工两部钢制石油化工

45、压力容器设计规定；最低设计压力0.1MPa系考虑与劳动部压力容器安全监察规程协调一致，并考虑与大多数国家标准所划分的界限相同例如，美国ASME第卷第1篇（以下简称ASME-1）、美国BS 5500、日本JIS B 8270等。当设计压力高于35MPa时，可采用JB4732-95钢制压力容器分析设计标准（设计压力适用范围可达100MPa）；当设计压力低于0.1MPa时，可采用JB/T4735-1997钢制焊接常压容器。（2）设计温度容器的设计温度是按材料允许使用温度，根据钢材的特性确定，可从-196至钢材的蠕变范围。具体设计温度范围是：非受压力容器用碳素钢：沸腾钢 0250； 镇静钢 0350；

46、压力容器用碳素钢： -19475；低合金钢：至-70；碳钼钢及锰钼铌钢：至520；铬钼低金钢：至580；铁素体高合金钢：至500；奥氏体高合金钢：-196200（低于-100使用时，需补做设计温度下焊接接头的夏比V型缺口冲击试验）。（3）真空度2000mm水柱（19.61kPa），低于2000mm水柱时采用JB/T4735-1997钢制焊接常压容器以考虑经济效用。（4）受压元件算式的适用范围标准中几个主要受压元件计算式规定的使用范围系考虑公式的精确程度或元件边缘效应等超出设定的强度，稳定以及刚度范围而定。（5）各标准范围的使用范围及其概况我国的钢制容器标准已完备了从常压至100MPa体系，为便

47、于选择，列出了GB 1501998、JB473295以及JB/T47351997三个标准之间适用范围及其主要的技术要求的区别及比较。表31钢制容器各标准情况标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器设计压力范围小于100MPa（1000kg/）0.1-35MPa（1350kg/）小于0.1MPa（1.0kg/ ）续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器设计温度范围低于以钢材蠕变（h蠕变率1%控制其许用应力强度的相应温度

48、（其温度范围约在475以下）按钢材允许的使用温度确定（-196700）大于-20大于-20至350（奥氏体钢不受此限制）许用应力或许用应力强度的基准（即安全系数的区值）碳素钢或低合金：奥氏体钢：对特殊要求的低合金高强度钢将取。碳素钢或低合金钢：奥氏体：取最小值时，碳素钢或16MnR：奥氏体钢：对盛装物（介质）的限制不限不限不得有于盛装毒性为极度或高度危害的介质续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器是否需要应力分析或疲劳分析需要，但有免除条件，见标准3.9条和3.10条一般不需要，当超出本标准规定，尤

49、其是无法用常规确定结构尺寸，见标准中1.4条不需要容器壳体的无损检测要求所有焊接接头均须100%无损检测；对需逐张进行超声波检测的钢板，见标准6.2.5条按钢种及厚度条件确定无损检测的要求，见标准的10.8.2.1-10.8.2.3条。局部无损检测不得少于各条接头的长度的20%对需逐张进行超声波检测的钢板见标准的4.2.9条按容器的公称容积壁厚，设计温度，盛装的物料，以及高合金钢制容器，确定要否无损检测，检测的长度不少于各类焊接接头长度的10%，见标准的第15.1.3条和15.2.4条。续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T473

50、51997钢制焊接常压容器强度理论用第强度理论：以结构最大剪应力作为构件判断依据，并引入了当量应力强度概念。采用当量应力强度“S”为最大剪应力的两倍作为控制值，将其限制在设计应力强度极限以下，即第强度理论：一点的最大主应力作为构件的判断依据。当构件的主应力超过许用应力即为失效基于第强度理论，但特点是：绝大多数以最小厚度决定壳壁厚度失效准则基于塑性失效准则，用结构进入塑性后的极限承载能力、安定性，以及疲劳寿命评定结构是否失效。允许结构局部进入塑性区，允许峰值应力部位作有限寿命设计弹性失效准则，认为结构一旦失去弹性即失效，如一点的主应力到达s后，即认为失效。一般为弹性实效准则，但对储罐，料仓多为制

51、造焊接工艺所需之最小厚度为壳壁的厚度，且多以稳定失效为安全界限续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器计算方法用实用的详细应力分析（包括载荷分析，结构分析，应力分析，强度评定），做出应力分析报告以材料力学或板壳薄膜理论公式，计入带有经验的修正系数的简化公式与GB150-1998类同强度控制将应力分类，依据各种应力导致结构破坏的性质及危险程度，按照等安全裕度准则，给予不同的许用值不区分应力性质及危险程度统统采用同一许用应力，但区分载荷和结构给出不同的系数与GB150-1998类同资格要求a. 设计单位需

52、取得应力分析资格证书；设计文件（包括：计算分析报告，图样，以及质量检验的证明文件等）必须a. 设计单位和制造单位有相应类别的设计批准书和制造许可证。a. 设计或制造单位均无资格要求。b. 标准的第15.1.3条规定的焊工必须持有考试合格续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器资格要求由具有资格证书的分析设计人员三人签署。b. 设计单位需取得应力分析资格证书；设计文件（包括：计算分析报告，图样，以及质量检验的证明文件等）必须由具有资格证书的分析设计人员三人签署。b. 制造单位必须具有三类容器的制造许可证

53、。c. 焊接必须持有相应类别资格的焊工担任。无损检测须由或级探伤人员担任b. 设计单位和制造单位有相应类别的设计批准书和制造许可证。c. 焊接必须持有相应资格的焊工担任。d. 无损检测须持有无损检测资格的人员担任c. 设计或制造单位均无资格要求。d. 标准的第15.1.3条规定的焊工必须持有考试合格证的焊工担任。e. 需进行无损检测的容器（见标准的第15.2.4.1条规定），应有无损探伤资格的人员担任续表31标准名称项目JB4732-95钢制压力容器分析设计标准GB 1501998钢制压力容器JB/T47351997钢制焊接常压容器结果可精确地计算出容器实际应力，对各种应力按其性质进行分类与评

54、定，这样既可保证容器的安全又可设计出体轻质优的容器，包容面较宽，能计算较复杂的结构和计及多种载荷计算简单，使用方便，但精确程度较差，且往往偏于保守，而有些情况下又可能不安全，如有疲劳要求的容器等，较复杂的结构不能包容在相应范围内，较经济表中： na钢材常温或设计温度下抗拉强度为基数的安全系数； nb钢材常温或设计温度下屈服点为基数的安全系数；na nD钢材设计温度下经h断裂的持久强度为基数的安全系数； nn钢材设计温度下经h小时蠕变率为1%的蠕变极限为基数的安全系数（6）考虑的载荷本标准主要考虑静载荷的作用，不计及机械振动及脉动（Fluctuation）载荷所施加的影响，且不区分短期载荷和永久

55、载荷。所考虑的载荷有： 内压、外压或最大压差; 液体静压力。需要时还应考虑下列载荷： 容器的自重包括内奸和填料等，以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷; 附属设备及隔热材料，衬里，管道，扶梯，平台等的重力载荷； 风载，地震力，雪载荷； 支座，底座圈，支耳及其他形式支撑件的反作用力； 连接管道和其它部件的作用反力； 温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力； 包括压力急剧波动的冲击载荷； 冲击反力，如由电流体冲击引起的反力等； 运输或吊装时的作用力。其中的第项“风载，地震力，雪载荷”主要作用在高耸塔类及大型卧式容器，所以在本标准中只列出此类载荷，而计算方法已移植在JB-4710-92及

56、JB4731-中。3.2 快开盲板的中华人民共和国石油天然气行业（SY 25691）本标准适用于公称压力为16MPa；使用温度为-20T80的石油天然气集输气管线清管装置及油田容器上的快速开关盲板。引用标准：GB 699 优质碳素结构钢技术条件GB 307 合金结构钢技术条件GB 6654 压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板ZBJ 74003 压力容器用钢板超声波探伤JB 755 压力容器锻件技术条件JB 3963 压力容器短见超声波探伤YB 231 无缝钢管GB 3087 低中压锅炉用无缝钢管GB 5310 高压锅炉用无缝钢管GB 6479 化肥设备用高压无缝钢管JB 1151 高压无缝钢管超

57、声波探伤JB 1152 锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波探伤GB 1804 公差与配合为主公差尺寸极限偏差JB 3965 钢制压力容器磁粉探伤GB 3323 钢熔化焊对接接头射线照相和质量级HG 4329 环状密封橡胶制品JB 3964 压力容器焊接工艺评定GB 1235 O型橡胶密封圈GB 150 钢制压力容器GB 131 机械制图 表面粗糙度代号及其注法 SYJ 12 天然气地面设施抗硫化物应力开裂金属材料要求SYJ 4007 涂装前钢材表面处理规范JB 2536 压力容器油漆，包装，运输GB 191 包装运输图示标志4 柔性卡带式快开盲板的结构特点和应用4.1 柔性卡带式快开盲板的安全操

58、作（1）在试图打开快开盲板之前，必须检查容器安全阀是否完全关闭。确保容器内的水已经完全排除变干，并且没有任何压力来源。（2）慢慢松动螺丝，但不要卸下，以便于残留的压力显示出来。一但显示有残余压力，立即对所有阀门进行复检。（3）若对快开盲板的安全的开启操作完全满意，将泄压螺栓及其锁盘从盲板上卸下。注：拧开螺栓后，要轻轻晃动一下，使得连带的锁带松动。（4）将全向手柄置于驱动链上。确定全向手柄已经被精确地置于所提供的孔里。逆时针180时转动手柄启动驱动链以及马蹄铁机械装置并且把锁带逐步缩回到门凹槽上。不允许锁带猛地卡进位，请控制锁带持续的收缩和扩张。（5）然后卸下全向手柄，用门铰链来旋转开门。（6）

59、门装在一个双支点的装置上，使之保持直线运动。4.2 高速开启以及应用快速开关盲板是为清扫、疏通管线，检查、清理容器而在管口处设置的一种固定式快速开启装置，也称快开阀门。它广泛应用于石油、化工、轻工、建材等工业中，特别是在输油管道的输油生产的清管作业中起到了重要的作用，是不可缺少的设备。快开盲板特点主要有：密封性能好、启动迅速、操作容易、安全可靠等，它是长输管道清管系统的主要设备，适用于发送和接收各种类型清管器，亦可作为各种压力容器的收发装置。柔性卡带式快开盲板的设计以国外先进新产品为基础，具有先进的结构形式，使产品结构更加简单，密封可靠，手动操作方便，且强度储备合理，使用安全。它以独特的开启结

60、构装置以及安全密封结构在石油、化工、天然气等行业已获得广泛的应用，是管道清管扫线，以及需要经常开启的设备及容器上的首选快速开启装置。柔性卡带式快速开关盲板，安装在各种管道、压力容器的终端，以满足快速和频繁进入压力容器的需要。柔性卡带式快开盲板这种档板使介子能水平的或垂直的进入管道的分离器、过滤器、结合器、离析器或任何的压力容器。同其他快开盲板相比，它能在不同寻常的速度下工作。这种以被证实的自锁档板机械按它的等级取了名字，就是一个双向的不锈钢的圆锥插环，插环安装在门和板颈之间已使介子能连续的沿着板颈转过360度。一个手动操作的压力报警装置机械的一部分是用来防止容器的内部压力尚未释放时板门的开启。

61、一种不流动性的压力报警装置可用于有毒的或酸性的装置中。附属的安全特色包括钥匙和阀的自锁同样也是适用的。因此，柔性卡带式快开盲板内部是安全的。这种完全可见的档板在任何时候都能满足设计标准的要求，而且操作人员可以看到档板的门是安全地关闭着的。对水平的应力来说，门是双旋转式铸造的，并铰接着自润滑的轴承。用螺栓栓住的附件能够经得起磨损并允许左右摇晃。手动的齿轮装置可以看作是它的一个额外特点，因为它可以方便的控制大直径门的简单开启。垂直的装置包括了一个吊柱，它可以将柔性卡带式快开盲板的门举起并摇晃通过板颈。直径大于30mm的螺栓通常适用于有吊柱的场所。4.3 扭矩设置建议我们在为柔性卡带式快开盲板的两个

62、重要部件的扭矩设置提供建议门螺栓和渗透螺丝。这些设置参数如下：门螺栓900#压力/温度等级以下（包括900#）快开盲板尺寸建议的扭矩设置lb.ft/N.m.4-1240/54.2414-2650/67.828-3660/81.3635-5070/94.9254-80/108.48900#以上压力/温度等级快开盲板尺寸建议的扭矩设置lb.ft/N.m.4-1860/81.3620-3270/94.9224-4280/4.4 安全密封该盲板还配有独特的双唇密铅密封侍服装置，以便在没有压力的情况下装置的自动密封。它被安装在门面上，这样可以起防护作用并增加了档板的寿命，而且它的安装很简便，不需要借助任何工具。其中一些模子可用于某些范围的弹性体和最