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2017-07-20 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
基于ANSYS/Workbench軟件的球罐有限元分析
運用ANSYS/Workbench對已有的2 000 m3球罐進行有限元分析。結果表明:地震作用下球罐的變形量最大、受力情況最為復雜,設計時需重點考慮該工況下球罐的支柱及拉桿的應力分布情況;ANSYS/Workbench用于球罐分析計算時比ANSYS/APDL經典版的效率更高、操作性更強。
關鍵詞ANSYS/Workbench; 球罐; 應力分析
球罐作為一種大容量的壓力容器,被廣泛應用于石油、化工、冶金等部門。它既可以用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其他介質的儲存容器,也可以用來作為壓縮氣體(空氣、氧氣、氮氣、城市煤氣)的儲罐。
球罐的操作溫度一般為-50~50 ℃,操作壓力一般在3 MPa以下。與圓筒容器(即一般儲罐)相比,在相同直徑和壓力下,球罐殼壁的厚度僅為圓筒容器的一半,鋼材用量省,且占地較小,基礎工程相對比較簡單。
文中運用ANSYS/Workbench有限元分析[1]軟件,對某工程中的2 000 m3球罐進行強度分析設計驗算,以了解球殼及其支柱[2]在水壓試驗工況、設計工況以及地震作用工況[3]下的應力分布情況,判斷其用于球罐分析設計時計算結果的可靠性。
1、設計條件及軟件
1.1 球罐設計條件
球罐基本設計參數和分析計算條件如表1、表2所示。
公稱容積/m3充裝系數內直徑/mm支柱數目設計壓力/MPa設計溫度/℃介質密度/(kg·m-3)20000.915700102.4-45~-26500腐蝕裕量/mm基本風壓/Pa基本雪壓/Pa抗震設防烈度殼體材料上支柱材料下支柱材料1.55504007JGE-HHITEN610U2LJGE-HHITEN610U2LQ345D
計算溫度/℃設計壓力/MPa重力加速度/(m·s-2)地震最大水平加速度/(m·s-2)-262.49.810.9151基本風壓/Pa水壓試驗壓力/MPa安全系數nb安全系數ns5503.02.41.5
1.2 分析計算軟件[4]
Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境,解決企業產品研發過程中CAE軟件的異構問題[4]。自ANSYS 7.0開始,ANSYS公司推出了ANSYS經典版(ANSYS/APDL)和ANSYS/Workbench兩個版本,擁有相同的求解功能。ANSYS/Workbench相對于ANSYS經典版的優勢在于:
1)集成了很多主流三維軟件(UG、Pro/E、SolidWorks等)的接口,采用它們創建好模型后可直接導入到Workbench界面進行網格劃分操作,縮短模型的修復時間,對于大型裝配體的處理非常方便。
2)網格處理比ANSYS經典版方便,通過MESH功能可以快速劃分出高質量的網格,大大縮短了模型的網格劃分時間。
2 有限元分析步驟
球罐的有限元分析流程如圖1所示,分別對球罐的球殼和支柱進行水壓試驗工況、設計工況以及地震工況進行分析計算;然后,對應力集中部位進行應力線性化操作,判斷計算得出的應力強度是否滿足材料的許用應力強度[5]。
具體操作步驟如下:
1)在SolidWorks中建立2 000 m3球罐模型的1/20。
2)將模型導入到ANSYS/Workbench的Static Structure模塊中。為了便于后期網格劃分,在Geomry中對模型進行“分塊”操作,將模型分割成不同的Body。根據球罐對稱變形的特點,在Geomry中圓周陣列所有Body形成球罐整體三維模型的1/2。
3)在Engineering Data中設定材料參數,考慮到附件、雪荷載及腐蝕層等的重量,球殼當量密度為8 770 kg/m3,其他材料密度為7 850 kg/m3。
4)在Model中對模型進行全Sweep操作,將模型快速劃分成全六面體網格。設定球罐赤道帶及其上支柱部分的網格尺寸為20 mm,其他部位的網格尺寸為2 000 mm,劃分網格后的球罐有限元模型如圖2所示,其網格數521 623、結點數795 136,網格沿球殼厚度方向呈2層分布。
5)由于球罐的拉桿在分析計算過程中對球罐只產生拉的作用,不考慮拉桿對支柱的支撐作用。因此,在本模型中可采用Spring單元(縱向彈簧)代替拉桿作用在球罐的支柱之間,如圖3所示。通過計算,彈簧的剛度為72 600 N/m。
6)施加水壓試驗工況下模型分析計算的荷載及邊界條件?？紤]模型的自重、在球殼內壁施加3.0 MPa 的水壓試驗壓力以及球殼充滿水時的液柱靜壓力;最后,在模型的對稱面上施加無摩擦約束、每根支柱的底板上施加3個方向的固定約束。
7)依次求解出水壓試驗工況下模型中球殼以及支柱的第三強度應力。如圖4所示,從球殼的應力分布云圖中可以看出,球殼的第三強度應力最大值分布在球罐外表面支柱托板下部的位置。如圖5所示,對該應力最大值處進行線性化[6]操作,球殼的一次局部薄膜應力強度SⅡ=321.01 MPa、“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=468.64 MPa。如圖6所示,從支柱應力分布云圖中可以看出,支柱的第三強度應力最大值分布在支柱帽內表面與球殼連接的位置。如圖7所示,對該應力最大值處進行線性化操作,支柱的“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=498.21 MPa。該支柱下端軸向約束反力WT=2.167 2×106N ;徑向約束反力為68 064 N;繞環向約束彎矩MT=2.164×108N·mm。
通過對球罐的水壓試驗工況進行有限元分析,根據圖4-圖7中的應力云圖以及關鍵部位的應力線性化結果可以得出:球罐的支柱與球殼焊接部位應力水平較高,其建造過程中應嚴格控制組對、焊接、無損檢測[7]及熱處理[8]的質量。
8)將模型的網格劃分等前處理操作共享到設計荷載工況中,施加設計荷載工況下模型分析計算的邊界條件?？紤]模型自重、在球殼內壁施加2.4 MPa的設計壓力以及球殼完成物料充裝后的液柱靜壓力,最后,在模型的每根支柱的底板上施加3個方向的固定約束、對稱面上施加無摩擦約束。
9)依次求解出設計荷載工況下模型中球殼以及支柱的第三強度應力。如圖8所示,從球殼的應力分布云圖中可以看出,球殼的第三強度應力最大值分布在球罐外表面支柱U形托板下部的位置。如圖9所示,對該應力最大值處進行線性化操作,球殼的一次局部薄膜應力強度SⅡ=249.72 MPa、“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=353.54 MPa。如圖10所示,從支柱的應力分布云圖中可以看出,支柱的第三強度應力最大值分布在支柱帽內表面與球殼連接的位置。如圖11所示,對該應力最大值處進行線性化操作,支柱的“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=398.81 MPa。該支柱下端軸向約束反力WT=1.180 04×106N ;徑向約束反力為54 038 N;繞環向約束彎矩MT=1.571 7×108N·mm。
10)將模型的網格劃分等前處理操作共享到地震荷載工況中,施加地震作用工況下模型分析計算的邊界條件?？紤]模型自重、在球殼內壁施加2.4 MPa的設計壓力、球殼完成物料充裝后的液柱靜壓力與垂直地震作用以及模型水平方向的水平地震作用,最后,在模型每根支柱的底板上施加3個方向的固定約束、對稱面上施加無摩擦約束。
11)依次求解出地震作用工況下模型中球殼以及支柱的第三強度應力。如圖12所示,從球殼的應力分布云圖中可以看出,球殼的第三強度應力最大值分布在震向后球罐外表面支柱U形托板下部的位置。如圖13所示,對該應力最大值處進行線性化操作,球殼的一次局部薄膜應力強度SⅡ=254.94 MPa、“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=375.16 MPa。如圖14所示,從支柱的應力分布云圖中可以看出,支柱的第三強度應力最大值分布在震向前支柱帽內表面與球殼連接的位置。如圖15所示,對該應力最大值處進行線性化操作,支柱的“一次薄膜+一次彎曲”應力強度SⅢ=405.57 MPa。該支柱下端軸向約束反力WT=1.431 8×106N ;徑向約束反力為93 332 N;繞環向約束彎矩MT=2.344 6×108N·mm。
3 有限元結果評定
根據壓力容器分析設計標準JB 4732-1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》(2005年確認)[9],判斷ANSYS/Workbench計算得出的球殼、支柱及拉桿在不同工況下的結果是否滿足要求。
3.1 球殼及支柱強度校核
1)水壓試驗工況。水壓試驗工況應力評定見表3。
位置組合應力強度計算值/MPa許用極限/MPa評定結果球殼SⅡ321.01476.3通過SⅢ468.64476.3通過支柱SⅢ498.21612.6通過
2)設計工況。設計工況應力評定見表4。
位置組合應力強度計算值/MPa許用極限/MPa評定結果球殼SⅡ249.72381通過SⅢ353.54381通過支柱SⅢ398.81490通過
3)地震作用工況。地震作用工況應力評定見表5。
位置組合應力強度計算值/MPa許用極限/MPa評定結果球殼SⅡ254.94457.2通過SⅢ375.16457.2通過支柱SⅢ405.57588.0通過
3.2 拉桿強度校核
如圖16所示,根據ANSYS/Workbench的計算結果,球罐在地震工況下的變形量最大,因此該工況下拉桿所承受的拉伸荷載也最大。
球罐地震作用工況下拉桿所承受的最大拉力F=1.464 2×105N,拉桿的有效截面積A=2 289.06mm2。 通過計算,拉桿的最大拉應力σ=63.97 MPa≤[σ]g=216.7 MPa。拉桿應力滿足強度要求。
3.3 支柱穩定性校核
運用ANSYS/Workbench中的Probe功能計算得到支柱下端的軸向和徑向約束反力及反彎矩,采用GB 12337-1998《鋼制球形儲罐》[10]中支柱當量應力的計算方法計算出球罐支柱上端和下端的軸向壓縮應力和彎曲應力。
支柱外直徑do=560 mm,內直徑di=536 mm,橫截面積A=20 659 mm2,橫截面抗彎模量Z=2 770 977mm3,支柱與球殼相貫線以下支柱高度l=7 439mm,計算長度系數k3=1,鋼管支柱系數α1=0.65、α2=0.965、α3=0.3,下支柱材料彈性模量Es=2×105MPa,截面慣性半徑
支柱與球殼相貫線以下支柱直線長細比
支柱換算長細比
等效彎矩系數βm=1,截面塑性發展系數γ=1.15,彎矩作用平面內軸心受壓的支柱穩定系數φp=0.869,支柱歐拉臨界軸力WEX=27 675 362N。
1)水壓試驗工況。
下支柱下端當量應力:
199.25 MPa≤[σ]C=230 MPa
下支柱上端當量應力:
210.62 MPa≤[σ]C=230 MPa
水壓試驗工況支柱穩定性應力校核滿足要求。
2)設計工況。
下支柱下端當量應力:
83.38 MPa≤[σ]C=230 MPa
下支柱上端當量應力:
101.3 MPa≤[σ]C=230 MPa
設計工況支柱穩定性應力校核滿足要求。
3)地震作用工況。
下支柱下端當量應力:
213.31 MPa≤[σ]C=230 MPa
地震作用工況支柱穩定性應力滿足要求。
4 結 論
1)采用Solidworks進行快速建模并導入到ANSYS/Workbench中,運用其自帶的MESH網格劃分模塊可實現高質量六面體網格的快速劃分,很大程度縮短了模型前處理的時間。
2)通過對上述3種工況下ANSYS/Workbench計算出的球罐相貫部位的應力強度及穩定性進行校核,其結果均滿足材料的許用極限,符合壓力容器分析設計標準JB 4732-1995(2005年確認)的相關要求。
3)經過計算分析得出地震作用工況下球罐拉桿承受的荷載最大,其整體的變形最為顯著。因此球罐設計過程中,關注地震作用工況下球殼應力分布情況的同時還應重點關注支柱及拉桿的應力分布情況,確保球罐遭遇的地震作用在其地震設防烈度范圍內時仍然能夠安全運行。
4)借助ANSYS/Workbench強大的后處理能力,通過使用其Probe探針功能可以快速求解出球罐支柱下端的固定約束對其產生的約束反力和反彎矩,同時還能求解出彈簧約束對支柱的反作用力,大大減少了模型的后處理時間,提高了球罐分析設計的效率。
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