基于ANSYS Workbench的加筋平蓋的有限元分析

呂鳳娟，王帥志，李超

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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基于ANSYS Workbench的加筋平蓋的有限元分析

呂鳳娟，王帥志，李超

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：根據(jù)傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)加筋平蓋進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；然后利用UG 軟件對(duì)凍結(jié)壁模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的加筋平蓋進(jìn)行建模；再用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行線性靜力分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行校核。結(jié)果表明：該加筋平蓋的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定為合格，設(shè)計(jì)方案合理、有效。

關(guān)鍵詞：加筋平蓋；線性靜力分析；應(yīng)力集中；強(qiáng)度校核

0引言

平蓋是壓力容器較常用的封頭形式，而采用帶加強(qiáng)筋的平蓋不僅可以節(jié)省材料，還可以在最大壓力和最大壁厚的限制下，選擇價(jià)格較為低廉的材料，因此可大大降低生產(chǎn)成本[1]。然而，該平蓋設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于“彈性失效”準(zhǔn)則，對(duì)應(yīng)于GB150規(guī)范系統(tǒng)，它是一種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，得出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果比較保守，限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用[2]。因此，在做好加筋平蓋的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)在使用中是否安全，作出評(píng)價(jià)。

1加筋平蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該平蓋為凍結(jié)壁模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)罐的上下端蓋，根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)的具體要求：設(shè)計(jì)溫度為常溫，設(shè)計(jì)壓力為內(nèi)壓8MPa。材料類(lèi)型為Q345R，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，抗拉強(qiáng)度為500MPa，屈服強(qiáng)度為325MPa。

根據(jù)GB150.1~150.4—2011《壓力容器》，平蓋設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1—內(nèi)矩形筋板；2—外矩形筋板；3—外圓形筋板；4—內(nèi)圓形筋板圖1　平蓋模型平面圖

(1)

d—當(dāng)量直徑，mm；d1—內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的外直徑，mm；d2—外加強(qiáng)環(huán)的外直徑，mm；n—徑向筋板條數(shù)。d取d1d2中較大的一個(gè)帶入算出d1=559mm；d2=1306mm；d=d2加筋平蓋的厚度可按式(2)帶入計(jì)算：

(2)

δp—平蓋計(jì)算厚度，mm；Pc—計(jì)算壓力，MPa；Dc—平蓋計(jì)算直徑，mm；σt—設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ—焊接接頭系數(shù)。

筋板高度為300mm，矩形截面筋板其高厚比一般為5~8，為了節(jié)省材料取高厚比為8，則筋板厚度為300/8=37.5mm。約取壁厚40mm。

2加筋平蓋的有限元分析

a) 模型及載荷

分析對(duì)象為壓力容器加筋平蓋， 模型具體尺寸如圖1。

b) 建立模型

由于該平蓋模型體積較大，且結(jié)構(gòu)和載荷具有對(duì)稱(chēng)性，為避免對(duì)整個(gè)模型進(jìn)ANSYS分析時(shí)耗用較多的分析時(shí)間，利用UG軟件建立整個(gè)模型后，再在workbench的Design Modeler模塊中建立軸對(duì)稱(chēng)模型，取原模型的1/4進(jìn)行有限元分析，建立后的模型，如圖2。

圖2　分析模型

c)網(wǎng)格劃分

該模型為模擬實(shí)驗(yàn)罐帶加強(qiáng)筋的平蓋，加強(qiáng)筋之間及加強(qiáng)筋與平蓋之間的連接方式為焊接連接，該試驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)底壓作用下凍結(jié)井筒的凍結(jié)壁發(fā)展形成規(guī)律及井筒開(kāi)挖后凍結(jié)壁的變形情況進(jìn)行模擬，平蓋上需設(shè)壓力表，液位計(jì)，測(cè)量裝置等的開(kāi)孔接管，以便于檢測(cè)檢修，除此以外，還有邊緣固定螺栓開(kāi)孔，開(kāi)孔破壞了平板材料的連續(xù)性，消弱了原有的承載面積，在開(kāi)孔邊緣和焊接連接處會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，筋板連接處和開(kāi)孔處采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分。

為了得到較好的網(wǎng)格品質(zhì)，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格，在重要的位置采用細(xì)化網(wǎng)格的劃分方法，最終獲得的網(wǎng)格品品質(zhì)良好，節(jié)點(diǎn)數(shù)148105，單元數(shù)389852。綜上，劃分結(jié)果如圖3。

圖3　網(wǎng)格劃分圖

3施加載荷及約束

有限元分析的目的在于了解模型對(duì)施加的外部載荷做出的響應(yīng)。因此，正確的識(shí)別和定義載荷，并有效的實(shí)現(xiàn)仿真加載，是運(yùn)用有限元分析工具的關(guān)鍵一步。該模型受到的載荷有內(nèi)壓、外壓和重力載荷，由于外壓和重力載荷對(duì)模型的影響較小，可忽略不計(jì)。因此，只考慮對(duì)模型施加8MPa的內(nèi)壓。由于取平蓋的1/4進(jìn)行靜力分析，還需要對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱(chēng)約束。而螺栓孔需要固定約束，中間孔限制轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。得到的應(yīng)力強(qiáng)度圖，如圖4所示。

圖4　應(yīng)力強(qiáng)度圖

將應(yīng)力強(qiáng)度圖放大后得到圖5，可知最大應(yīng)力271.22MPa發(fā)生在內(nèi)圓與外圓之間的筋板上，所以只需要校核該部分的應(yīng)力強(qiáng)度，只要該筋板強(qiáng)度符合要求，其他的部分就都符合要求。

圖5　應(yīng)力強(qiáng)度圖

4應(yīng)力強(qiáng)度校核

該筋板最大應(yīng)力為217.22MPa，大于許用應(yīng)力，但這并不能評(píng)定為不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，因?yàn)樵趦刹考附拥倪@種結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)該參考JB/T4732部標(biāo)設(shè)計(jì)(薄膜應(yīng)力SII≤1.5Sm；彎曲應(yīng)力SIII≤3Sm；薄膜+彎曲SIV≤3Sm；)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、評(píng)定[5]。

在最危險(xiǎn)的地方設(shè)置一條應(yīng)力評(píng)定線路，路徑1-2，得線性應(yīng)力強(qiáng)度如圖6,應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。

圖6　線性應(yīng)力路徑

圖7　線性應(yīng)力化結(jié)果

表格1　應(yīng)力評(píng)定表　MPa

5結(jié)語(yǔ)

1) 該模型體積較大、局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，劃分網(wǎng)格采用整體粗略劃分網(wǎng)格，局部類(lèi)似焊接、開(kāi)孔處等應(yīng)力集中的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格的劃分方法。這樣既降低了內(nèi)存需求，又得到了品質(zhì)好的網(wǎng)格，大大提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2) 平蓋內(nèi)壓作用下引起的一次薄膜應(yīng)力和二次彎曲應(yīng)力和由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性引起的包括薄膜應(yīng)力在內(nèi)的局部應(yīng)力都能通過(guò)有限元軟件ANGSYS Workbench準(zhǔn)確的計(jì)算而來(lái)。局部應(yīng)力限制值243MPa遠(yuǎn)大于內(nèi)壓引起的應(yīng)力72MPa。一次與二次應(yīng)力限制值361.11MPa遠(yuǎn)大于137.6MPa。所以，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

利用大型軟件ANSYS Workbench進(jìn)行強(qiáng)度分析，可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足。既大大提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，又節(jié)省了人力、財(cái)力，不失為一種有效的強(qiáng)度評(píng)估方法。

參考文獻(xiàn):

[1] 許留關(guān)，薛降穎. 《加筋平蓋的計(jì)算》[J]. 化工裝備技術(shù)，2011; 22，(2).

[2] 王心明. 工程壓力容器設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[3] GB150.1~150.4--2011《壓力容器》[S].

[4] 程新宇，馮曉偉, 等. 《基于ANSYS/WOEKBENCH的壓力容器接管分析》[J]. 石油與化工裝備，2011，14，(2).

[5] JB4732-1995鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 許京荊. ANSYS12.0 壓力容器分析[J]. Xu jingjing,《ANSYS12.0 Pressure Vessel Analysis》.

Finite Element Analysis of Flat Cover with Reinforcement Based on ANSYS Workbench

LV Feng-juan，WANG Shuai-zhi，LI Chao

(College of Mechanical Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:The reinforcement flat cover is designed according to the conventional calculation method, the model of reinforcement flat cover of frozen wall simulation test system is setup using UG and then ANSYS Workbench software is used to do its static analysis linearly, and check the results of the analysis. The evaluation result shows that stress intensity of the reinforcement flat cover is qualified and the design proposal is reasonable and effective.

Keywords:reinforced flat cover; ANSYS Workbench; stress concentration; intensity check

基金項(xiàng)目：福建省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2009H0023)；福建省教育廳資助項(xiàng)目(JB07027)

收稿日期：2014-12-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0090-02

作者簡(jiǎn)介：呂鳳娟(1987-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。