球罐支柱與球殼連接處強(qiáng)度的有限元分析

張北記 周浩（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

球罐支柱與球殼連接處強(qiáng)度的有限元分析

張北記 周浩（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

本文研究針對(duì)球罐支柱與球殼連接處的強(qiáng)度展開(kāi)，綜合有限元網(wǎng)格處理難度較大的現(xiàn)狀，可采用有限元前后處理軟件（HyperMesh6.0）獲取高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)模擬網(wǎng)格劃分。在相關(guān)的測(cè)試層面，符合有限元模型的分析軟件中ANSYS8.0應(yīng)用較為廣泛且在模擬水壓工況中效果突出，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前我國(guó)在球罐支柱以及球殼方面的應(yīng)力測(cè)試內(nèi)容，電測(cè)法的數(shù)據(jù)也是有很好的參考價(jià)值的；通過(guò)建模及測(cè)量，計(jì)算結(jié)果表明了水壓試驗(yàn)工況下測(cè)試對(duì)象球罐的最大應(yīng)力點(diǎn)是支柱蓋板和球殼的連接位置，即殼體外壁部分。

球罐支柱；球殼連接；有限元分析，強(qiáng)度分析

球罐是重要的現(xiàn)代化生產(chǎn)存儲(chǔ)設(shè)備，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，在球罐設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往傾向于常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)通用標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行過(guò)于嚴(yán)苛。設(shè)計(jì)者只考慮單一情況下的最大載荷工況，并在制造過(guò)程中按照一次最大加載能力處理；理論上說(shuō)，這種極限許用應(yīng)力的安全性很突出，并且所設(shè)定的安全系數(shù)也比較大，造成一定程度的大材小用，消耗過(guò)多的資源和成本。而采取分析設(shè)計(jì)的方法，對(duì)球罐部分鎖承受的應(yīng)力進(jìn)行分類、分析，并按照不同的強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行整理，這樣可以在保障球罐安全的同時(shí)，減少由于內(nèi)部介質(zhì)壓力波動(dòng)所造成的金屬疲勞；一般而言，利用分析設(shè)計(jì)法可以減少20%～30%的材料消耗，在球罐發(fā)展逐漸大型化的趨勢(shì)下，對(duì)企業(yè)成本節(jié)約具有重要意義。

1　軟件建模及網(wǎng)格質(zhì)量綜述

在球罐應(yīng)力分析中基于有限元分析的策略展開(kāi)在國(guó)內(nèi)是一種較為常見(jiàn)的方法，但由于需要進(jìn)行劃分網(wǎng)格并建立有限元模型，因此工作量比其他方法更大，所需要考慮的因素也更多，依靠人工方式展開(kāi)是不可取的；同時(shí)，網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精確度和計(jì)算模式有直接的影響，因此脫離軟件工具來(lái)實(shí)現(xiàn)存在很大困難。

HyperMesh是一種功能強(qiáng)大的CAE應(yīng)用軟件包，屬于有限元網(wǎng)格專業(yè)劃分工具。雖然與與主流的3D建模工具相比，其功能較少，但相應(yīng)的在運(yùn)行的過(guò)程中，由于HyperMesh屬于環(huán)境配置功能，使用的平臺(tái)較為廣泛，運(yùn)行中所占資源較少，更重要的是針對(duì)限元網(wǎng)格劃分中有很好的支持，例如內(nèi)部預(yù)設(shè)的一大批集合工具，不需要重新構(gòu)建模型，而只需要整理所需要的數(shù)據(jù)以及口令，輸入集合模型之后就可以得到相應(yīng)的合理劃分。

同時(shí)，HyperMesh支持3D和2D兩種形式，且在基于網(wǎng)格建模的表現(xiàn)中十分優(yōu)秀，強(qiáng)大的自動(dòng)網(wǎng)格劃分模塊可以為用戶提供一個(gè)智能的網(wǎng)格生成工具，同時(shí)也包括簡(jiǎn)便的網(wǎng)格修改工具。

在球罐設(shè)計(jì)、支柱與球殼連接處強(qiáng)度分析中，網(wǎng)格劃分是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，再后期需要根據(jù)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行度量和評(píng)估。當(dāng)前人們提出的根據(jù)或準(zhǔn)則中，集合起來(lái)有以下幾種類型，包括單元邊比長(zhǎng)、偏斜度、翹曲度等。

2　球罐支柱與球殼連接處的網(wǎng)格處理

以下筆者結(jié)合我廠丙烯球罐為研究對(duì)象，該球罐容量為2500立方米，結(jié)構(gòu)采取的是對(duì)稱設(shè)計(jì)，再分析中針對(duì)殼體構(gòu)建力學(xué)計(jì)算模型）。在該球罐進(jìn)行網(wǎng)格處理中利用HyperMesh軟件展開(kāi)，實(shí)體建模軟件采取了專業(yè)版ENGINEER Wildfire，殼體模型比例縮小至二十四分之一，支柱實(shí)體模型縮小二分之一；運(yùn)用HyperMesh的自動(dòng)網(wǎng)格功能覆蓋模型，形成單元格綜述為58079個(gè)，其中六面體單元包括了56744個(gè)，五面體單元包括了1335個(gè)，比例分別為97.7%和2.3%。

考慮到U形柱、支柱主體、連接板三個(gè)部分的結(jié)合點(diǎn)，以及支柱蓋板和球殼結(jié)合的位置呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)狀，運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格定位劃分，可以重新獲得局部的有效數(shù)據(jù)；實(shí)踐證明，再網(wǎng)格劃分中的六面體網(wǎng)格單元計(jì)算精度更高、更有效，同時(shí)在同樣的數(shù)據(jù)精度要求下，六面體網(wǎng)格單元綜述相對(duì)更少，可以節(jié)約大量的計(jì)算時(shí)間。

3　強(qiáng)度的有限元模型驗(yàn)證

一般會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)施加水壓的方式驗(yàn)證球罐結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)于計(jì)算要求較高的情況，可以利用HyperMesh將模型中的單元導(dǎo)出，再導(dǎo)入到ANSYS軟件中，從而提高計(jì)算的能力，獲取更加完善的球殼和支柱連接部分應(yīng)力分布信息；在應(yīng)力測(cè)試中需要用到的工具包括測(cè)試布片、測(cè)試儀器、測(cè)試環(huán)境等都要事先準(zhǔn)備，測(cè)試布片均為三向布片，測(cè)試儀器可以選擇萬(wàn)能電阻應(yīng)變儀以及PR～22電阻平衡向，其中電阻應(yīng)變片可采用三相應(yīng)變化，再測(cè)試過(guò)程中緩慢加壓，并測(cè)試各值，保持十五分鐘左右的穩(wěn)定觀察時(shí)間。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析，支柱與球殼的連接點(diǎn)的內(nèi)外主應(yīng)力分別是259.0MPa、242.30MPa，與電測(cè)量法所取得的數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了有限元計(jì)算模型的科學(xué)性、可行性。事實(shí)上，采取有限元法以及HyperMesh6.0軟件進(jìn)行建模分析以及網(wǎng)格劃分，已經(jīng)成為我國(guó)在球罐工藝技術(shù)方面的發(fā)展趨勢(shì)，并可以得到較好的單元質(zhì)量，計(jì)算精度較高，計(jì)算時(shí)間較少。同時(shí)，基于Hyper-Mesh6.0的網(wǎng)格劃分中，六面體相對(duì)于四面體的精度更高，同時(shí)劃分之后的單元數(shù)更少，是一種建模和劃分的技巧。

總之，積極展開(kāi)球罐相關(guān)技術(shù)方面的研究，促進(jìn)設(shè)備科學(xué)化、統(tǒng)一化、合理化，對(duì)我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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