基于有限元的臥式過濾罐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析

楊 平，曲周德，李 敏

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

基于有限元的臥式過濾罐結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分析

楊 平，曲周德，李 敏

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

針對某企業(yè)的臥式過濾罐在使用過程中存在失穩(wěn)、導(dǎo)致腿式支座橫梁斷裂的問題，利用Creo軟件建立該結(jié)構(gòu)的有限元模型，運(yùn)用Ansys軟件對工作過程中臥式結(jié)構(gòu)過濾罐進(jìn)行有限元模擬仿真，分析罐體、支座的應(yīng)力與變形，探究其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的原因，并提出具體的改進(jìn)方案。

臥式過濾罐；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；有限元分析

近年來，隨著計算機(jī)運(yùn)算速率不斷提升，數(shù)值仿真技術(shù)在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用成為可能，其有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用尤為廣泛。有限元仿真技術(shù)的核心是有限單元法，其基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限且按一定方式相互連接在一起的單元組合體。有限單元能按照不同的連接方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以對復(fù)雜的模型進(jìn)行求解[1-3]。將有限元方法應(yīng)用到臥式過濾罐的設(shè)計中，能夠直觀了解臥式過濾罐各處的應(yīng)力分布狀態(tài)和位移，從而為設(shè)計人員了解該種罐體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能、探究其失穩(wěn)的原因以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供參考。

1 問題概述

一般容器設(shè)計可參考GB/T 150.1—2011《壓力容器》與GB/T 4731-2005《鋼制臥式容器》標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。常見過濾罐為立式過濾罐，具有較為成熟的設(shè)計案，且在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但立式過濾罐有效過濾面積較小，而臥式過濾罐可彌補(bǔ)其不足。近年來，臥式過濾罐得到推廣應(yīng)用，隨著過濾罐的大型化，多支座臥式容器就得到了普及[7-8]。某企業(yè)借鑒一般過濾罐設(shè)計準(zhǔn)則與GB 4712.1～4712.4—2007《容器支座》[9]標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計8支座臥式過濾罐，如圖1所示。該種臥式過濾罐在運(yùn)行過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，導(dǎo)致腿式支座橫梁斷裂（見圖2），故需提出修改方案。

該種容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸變化大，承受內(nèi)壓、重力、液柱靜壓力、風(fēng)載荷、地震載荷和溫差載荷等多種載荷作用，按常規(guī)設(shè)計方法計算困難，而采用有限元法對該種罐體進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計和強(qiáng)度校核較為理想。本文利用有限元方法分析計算橫式過濾罐應(yīng)力和變形分布云圖，探究其因強(qiáng)度、剛度不足導(dǎo)致過濾罐失穩(wěn)的問題。

圖1 臥式過濾罐結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 腿式支座橫梁斷裂示意圖

2 過濾罐結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

本研究對象為8腳支座臥式過濾罐，該過濾罐主要由8對腳支座、罐體及濾板組成，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。該臥式過濾罐凈重20 t，內(nèi)部容積82 m3，填裝過濾砂，運(yùn)行過程，水和過濾砂的質(zhì)量按照90 t計入，設(shè)備中質(zhì)量110 t，考慮到壓降、地震力等安全因素，作用在濾板上載荷約為1 200 kN。材料Q345力學(xué)性能如表2所示。根據(jù)TSGR0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，罐體與支座材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力強(qiáng)度如表3所示。

表1 過濾罐結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 Q345R材料力學(xué)性能

表3 過濾罐設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度

3 有限元模型建立

利用Creo parametric軟件[10]建立臥式過濾罐有限元模型，忽略焊縫對過濾罐結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的影響，將支座、罐體和濾板看作一體，忽略其他結(jié)構(gòu)。過濾罐主要承載部分為濾板，為減少單元數(shù)目，可忽略濾板上所有濾孔和部分罐體結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)濾板上添加沿豎直向下的均布載荷1 200 kN，腿式支座底部添加全約束邊界條件，如圖3所示，圖中三角形處施加全約束。

圖3 簡化幾何模型

該模型關(guān)于yz平面對稱，為減少單元數(shù)目及節(jié)約計算時間，可取其一半進(jìn)行有限元分析，劃分單元數(shù)目為190 115個、節(jié)點(diǎn)數(shù)目為360 310個。濾板上添加沿豎直向下均布載荷600 kN，腿式支座底部均施加全約束，yz對稱面上添加面對稱約束。

4 計算分析

經(jīng)Ansys軟件運(yùn)行約2 h，求解得出臥式過濾罐在該工況下應(yīng)力、位移變形的等效云圖，并標(biāo)出最大應(yīng)力、位移變形所在的位置。過濾罐上應(yīng)力分布如圖4、圖5所示。從圖可知：臥式過濾罐最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在腿式支座橫梁與支撐板連接處，最大等效應(yīng)力為1 459.4 MPa；濾板上最大等效應(yīng)力為145.34 MPa，濾板與罐體連接處最大應(yīng)力為264.64 MPa。Q345材料屈服強(qiáng)度為345 MPa，在該邊界條件下：濾板、濾板與罐體連接處均滿足該種材料強(qiáng)度要求，橫梁與支撐板焊接處遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了該種材料強(qiáng)度要求，故在實際生產(chǎn)過程中橫梁與支撐板處發(fā)生不可修復(fù)性損傷，發(fā)生如圖2所示的斷裂。

從強(qiáng)度角度分析該橫式過濾罐失穩(wěn)原因：該種過濾罐主要由腿式支座立柱承載罐體重量，橫梁支撐板并不能有效地分擔(dān)罐體重量，添加橫梁支撐板，不僅不能有效分擔(dān)罐體重量，反而因橫梁過約束產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致橫梁斷裂，造成設(shè)備不可修復(fù)破壞，故建議去除支撐板。

圖4 過濾罐應(yīng)力云圖

圖5 腿式支座應(yīng)力云圖

由于計算的有限元模型關(guān)于xy平面對稱，如圖3所示，可取其對稱一半進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分析。圖6為過濾罐位移云圖。由圖6可知：過濾罐上最大等效位移變形出現(xiàn)在濾板上面，最大等效位移約為39.399 mm；罐體上最大等效位移約為23.748 mm，腿式支座橫梁上最大等效位移約為23.79 mm。在該工況下，濾板、罐體位移量均超過該設(shè)備的最大變形撓度，不能滿足設(shè)備剛度要求。可見，該設(shè)備在使用過程中，由于在濾板上存在較大橫向力，直接導(dǎo)致濾板塌陷、腿式支座立柱發(fā)生嚴(yán)重橫向位移變形，造成濾板、罐體內(nèi)部防腐漆脫落，腿式支座存在應(yīng)力集中，直接影響設(shè)備的使用壽命。圖7為過濾罐Y向位移云圖，由圖7可知：罐體上最大Y向等效位移變形位于濾板上面，最大等效Y向位移變形為39.399 mm，罐體與支座橫梁上最大Y向等效位移變形均為25.239 mm?？梢娫谂P式過濾罐工作過程中，濾板有向下塌陷、罐體底部有向上拱起的趨勢。

圖6 過濾罐位移云圖

圖7 過濾罐Y向位移云圖

從剛度角度分析過濾罐失穩(wěn)原因可知：濾板橫向欠約束，導(dǎo)致濾板與罐體接觸部分產(chǎn)生較大橫向位移變形，濾板向下塌陷，腿式支座立柱會產(chǎn)生嚴(yán)重橫向變形位移。由此造成的破壞有：濾板向下塌陷，罐體底部會向上拱起，導(dǎo)致濾板、罐體防腐層脫落，使其遭到腐蝕，腿式支座橫向變形會使腿式支座橫梁上產(chǎn)生較大應(yīng)力，引起強(qiáng)度不足的問題。濾板欠約束不僅會導(dǎo)致橫式過濾罐存在剛度不足問題，還會間接影響設(shè)備強(qiáng)度性能，建議可在濾板焊接拉板結(jié)構(gòu)，防止濾板發(fā)生較大橫向變形，避免過濾罐發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5結(jié)論

（1）從強(qiáng)度角度來看，過濾罐最大應(yīng)力超過材料屈服極限，必將導(dǎo)致過濾罐橫梁斷裂失穩(wěn)。由于橫梁增加支撐板不僅不能有效地分擔(dān)罐體重量，反而因其過約束導(dǎo)致橫梁斷裂，故可去除支撐板，解決過濾罐強(qiáng)度不足問題。

（2）從剛度角度來看，過濾罐上位移變形過大，過濾罐結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形。由于濾板欠約束，導(dǎo)致濾板、罐體防腐層脫落，使其遭到腐蝕；腿式支座橫向變形會使腿式支座橫梁上產(chǎn)生較大應(yīng)力。可在濾板與罐體連接位置焊接8條拉板，解決過濾罐剛度不足的問題。

（3）由于臥式過濾罐存在以上缺陷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，故在改進(jìn)該種過濾罐結(jié)構(gòu)時，可去除腿式支座橫梁上支撐板，從而避免因過約束導(dǎo)致橫梁斷裂，在濾板與罐體連接處焊接拉板，從而避免因欠約束導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)發(fā)生大撓度變形。

［1］ 龔曙光．ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用范例解析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

［2］ 張洪才，何波．有限元分析－ANSYS13.0從入門到實踐［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［3］ 張朝暉．ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［4］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T150.1—2011壓力容器［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011．

［5］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T4731—2005鋼制臥式容器［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005．

［6］ 劉英林，趙軍，孟令巖．大型氧化反應(yīng)器的有限元分析［J］．壓力容器，2013，30（5）：54-58．

［7］ 黃銘．多支座臥式容器的受力分析和強(qiáng)度計算［J］．化工設(shè)備設(shè)計，1998，35（5）：18-22．

［8］ 譚蔚，張晉軍，朱雨峰．多支座臥式容器應(yīng)力計算方法的分析［J］．壓力容器，2004，9（21）：13-16．

［9］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委會．GB4712.1～4712.4—2007容器支座［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

［10］詹友剛.Creo1.0高級應(yīng)用教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

Structure instability field of horizontal filtering tank based on finite element method

YANG Ping，QU Zhou-de，LI Min
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

As to the instability of horizontal filter tank of an enterprise，which causes the support leg beam fracture phenomenon，the finite element model is used by using Creo software.The horizontal structure of filter tank on the working process of ANSYS software is used to realize finite element simulation，and to analyze the stress and deformation of tank body，bearing，and inquiry because of the lack of strength and rigidity，which causes loss of filter tank structure.Some suggestions are proposed to improve the horizontal filtering tank strength，to meet the stiffness requirements in the production process，and to avoid the loss caused by the loss of stability of the structure of enterprise.

horizontal filtering tank；structural instability；finite element analysis

TQ051.85

A

2095－0926（2015）01－0014－04

2014-12-29

國家自然科學(xué)基金資助項目（51301121）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項目（YC201306）.

楊 平（1988—），男，碩士研究生；曲周德（1973—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為塑性加工新技術(shù)及模擬技術(shù).