ANSYS在机械与化工装备中的应用（第二版）

第二版前言

对于本书的再版，我谨代表所有参编人员对广大读者表示诚挚的谢意。没有大家的支持，没有读者的关注，我们也没有这样的机会来对书籍做一个修订。在这里，特别要感谢HGBBS（www.hgbbs.net）论坛上热心的读者，xiaoxiao、2443725等还专门列举了书中勘误之处，从而为本书的修订工作提供了极大的帮助，同时也非常感谢大家对本书提出的改进意见。事实上，我们也一直在努力按照大家的意见进行修订工作，但是因为个人水平限制，可能有些方面做得不是特别好，还望大家见谅。

本书相比于第一版，其改动之处主要体现在下面几处：

（1）对版本进行了升级，由原有的9.0版本升级到10.0版本，并对程序进行了调整。在这个过程中，我们也注意到由于版本的问题，对于某些APDL程序，例如补强圈与筒体接触分析，原程序在9.0版本下可以顺利运行，但在10.0下会出现编号错误的问题，因此希望读者在运行程序的时候一定要注意与程序版本相对应。

（2）修改了原稿中的部分错误或者不当之处；对原版中部分非重点章节的内容进行了删减，同时努力丰富原有例子的内容，例如疲劳分析章节，以便读者有更深入的了解；增加了橡胶模型的相关介绍。

（3）考虑到压力容器设计的特殊性，并且结合作者的工作实际，特别增加压力容器设计概述的内容，为压力容器设计分析提供更好的参考。

（4）对原有的结构进行了调整，以便读者查询与学习，同时增添了极限分析实例，适当扩充了分析设计实例，对Workbench在化工行业中的应用进行介绍，力图将工程中涉及到的主要问题阐述清楚。

应广大读者的要求，对工程应用中的分析结果进行了相应的评价，这样能更好地帮助读者理解分析结果的含义，对实际的工程和科研具有更好的指导意义。

在修订过程中，有读者提到针对行业中的一些特殊设备进行分析，考虑到本书的主要目的是向大家讲述ANSYS在化工领域的一些基本应用，将一些典型的问题加以剖析，而对于具体工程实例需要大家在学习书籍的基础上进行升华与加工，因此本书没有开展过多的实例介绍，还望大家见谅。

本次修订工作第1～3章由内蒙古工业大学汪艳萍副教授负责，第4～6章及第10章由高炳军负责，其余章节由余伟炜、王呼佳、陈洪军负责，全书由姚新军审定。另外吴志俊、江广顺、李强、万雷、许志清、厉剑梁、董茜、殷世钦、王晓、郭敏、刘羽宇、黄茜、陈鲲、杜长城、余松、王斌、张胜、张赛桥、黄北军、刘军华、夏慧军等参与了其中部分章节的编写。

最后，再次感谢所有读者的厚爱，感谢所有为本书再版做出贡献的人。

作者 于 天津大学

2007年3月

序
第二版前言
第一版前言
绪论 1
第1章 ANSYS基本介绍 3
1.1 ANSYS软件的主要功能 3
1.2 ANSYS 10.0软件的新特性及新功能 5
1.3 ANSYS 10.0启动与界面 6
1.3.1 系统要求 6
1.3.2 启动与退出 7
1.3.3 认识ANSYS 10.0的操作界面 9
1.4 ANSYS 10.0文件系统 11
1.4.1 文件格式 11
1.4.2 对文件大小的限制 12
1.4.3 文件管理 13
1.5 ANSYS接口工具 15
1.5.1 IGES格式输入 16
1.5.2 与Pro/E接口 18
1.5.3 与UG接口 19
1.5.4 与Parasolid接口 20
1.5.5 与CATIA接口 21
第2章 ANSYS基本分析技术 23
2.1 结构分析类型 23
2.1.1 结构静力分析 23
2.1.2 结构非线性分析 24
2.1.3 结构动力学分析 25
2.1.4 结构热分析 26
2.1.5 结构耦合场分析 26
2.2 ANSYS材料模型 27
2.2.1 材料应力应变关系 27
2.2.2 材料本构模型 28
2.2.3 材料本构模型组合 34
2.3 ANSYS单位制分析 35
2.4 ANSYS基本分析过程 37
2.4.1 理解有限元 37
2.4.2 ANSYS分析举例 37
第一篇 ANSYS在化工容器中的应用
第3章 应力容器分析设计 44
3.1 压力容器设计解决方案 44
3.2 压力容器及其分类 45
3.3 强度理论 45
3.3.1 材料的破坏形式 45
3.3.2 基本强度理论 46
3.4 应力分类 47
3.4.1 应力分类 47
3.4.2 应力强度评定方法 48
3.5 分析报告模式 50
第4章 压力容器不连续区应力分析 52
4.1 高压容器筒体与封头的连接区的应力分析 52
4.2 压力容器开孔接管区的应力分析 61
4.3 支座支撑区应力分析 71
第5章 压力容器稳定性及极限载荷分析 84
5.1 概述 84
5.1.1 失稳分析 84
5.1.2 极限载荷分析 85
5.2 外压容器的失稳问题 86
5.3 压力容器的局部失稳问题 97
5.4 极限载荷分析 108
第6章 压力容器分析设计 114
6.1 加氢反应器裙座支撑区的机械应力分析 114
6.2 加氢反应器裙座支撑区的热应力分析 128
6.2.1 温度场分析 128
6.2.2 热应力分析 135
6.3 加氢反应器裙座支撑区的热应力评定 138
6.4 内压及接管弯矩作用下椭圆封头中心接管应力分析 149
第7章 压力容器中的接触分析 156
7.1 法兰连接中的接触分析 156
7.2 O形密封圈回弹性能试验模拟 169
7.3 补强圈与筒体间接触特性分析 183
第二篇 ANSYS在化工设备中的应用
第8章 塔设备分析 204
8.1 模态分析 204
8.2 风载荷动力响应分析 219
8.3 地震载荷动力响应分析 226
第9章 储存设备分析 235
9.1 球罐在风载荷下的动力响应 235
9.2 球罐在地震载荷下的动力响应 264
9.3 球罐在雪载荷下的应力分析 268
第10章 换热设备分析 271
10.1 固定管板换热器的机械场应力分析 271
10.2 固定管板式换热器的耦合场分析 285
第三篇 ANSYS的高级分析技术
第11章 ANSYS优化设计 302
11.1 优化设计概述 302
11.1.1 优化设计理论 303
11.1.2 优化设计基本概念 304
11.1.3 优化设计过程与步骤 306
11.1.4 优化设计注意事项及建议 313
11.2 压力容器壁厚优化设计 314
11.3 换热器封头管箱线性变厚度段参数优化分析 327
第12章 结构可靠性分析 341
12.1 结构可靠性概述 341
12.1.1 结构可靠性分析相关概念 342
12.1.2 可靠性分析过程与步骤 344
12.2 高压球形容器强度可靠性分析 346
12.3 塔设备裙座支撑区可靠性分析 358
第13章 疲劳分析 373
13.1 疲劳分析 373
13.1.1 疲劳分析的相关概念 373
13.1.2 疲劳分析过程 374
13.2 平板封头与筒体连接区的疲劳分析 380
13.3 吸附塔的疲劳分析 384
第14章 ANSYS其他高级技术应用 399
14.1 APDL参数化设计语言 399
14.1.1 APDL参数化设计语言的主要概念 399
14.1.2 APDL应用实例——涡旋压缩机涡盘建模 403
14.2 子模型 409
14.2.1 子模型技术概述 409
14.2.2 带局部夹套卧式容器的应力分析 413
14.3 单元生死 422
14.3.1 单元生死的主要概念 422
14.3.2 单元生死特性的使用 423
14.3.3 单元生死的控制 425
14.3.4 单元生死在焊接过程中的应用 426
14.4 法兰结构螺栓装配分析 446
14.4.1 Workbench概述 446
14.4.2 模型调入 449
14.4.3 加载求解 449
14.4.4 结果后处理 454
14.4.5 FE Modeler模块中的有用信息 455
参考文献 459本书是一本关于大型有限元软件ANSYS在机械及化工领域工程应用实例解集，其工程背景深厚、内容丰富、讲解详尽，针对每一具体实例，均按照图形用户界面和命令流两种方式进行分析和讲解，适用于不同的读者群。
本书分为三部分，分别为基础部分，工程应用部分和高级分析部分。基础部分对ANSYS的基础理论加以介绍，包括单元、本构模型等知识内容。工程应用部分是根据化工机械领域实际工程应用或研究而设置的相关例题讲解，按照机械、化工设备领域传统的分类方法，分为ANSYS在机械与化工容器中的应用以及在化工设备中的应用两篇。高级分析部分包含ANSYS优化设计、疲劳设计以及结构可靠性分析、Workbench等诸多高级功能在机械、化工设备设计中的分析应用。本书还对有限元分析结果进行了相关的评价，这样能更好地帮助读者理解分析的意义，并迅速应用到工程和科研的实践中去。
本书特别适用于机械及化工装备专业的高年级本科生、研究生和工程技术人员，可以作为学习掌握ANSYS软件的参考教材。
在阅读本书时，读者可以到中国水利水电出版社网站（http://www.waterpub.com.cn/softdown/）下载本书配套的命令流文件，方便上机联系，以便尽快掌握工程实际问题的分析过程和步骤，提高学习效率。

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