液压球型储罐有限元分析论文

黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 I 摘 要 液化气球形储罐 作为 一种重要压力容器，在工业生产中有着非常广泛的应用，其分析设计和使用安全问题越来越引起国内外有关专家和工程技术人员的关注。 球罐结构的应力分析多采用有限元法，由于其结构和地震等载荷条件的复杂性，带来工作量庞大、设计周期长等问题。如何处理好计算模型的有限元网格和载荷边界条件、提高分析设计的效率是值得研究的课题。 本文首先综述了钢制球罐结构设计特点、应力分析和强度评定标准。然后针对钢制球罐，采用有限元 ANSYS 分析软件，分别进行了风载荷、地震载荷作用下的瞬态动力学分析，以及雪载荷作用下静 力学分析。最后介绍应力分类及强度评定标准。 关键词： 球罐；有限元法；瞬态动力学；风载荷；地震载荷；雪载荷 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 II Abstract The steel spherical tank has wide applications in petrol and chemical industry as important pressure vessels storing oil and gas. Its design analysis and safety assessment has attracted more and more attention of some experts and engineers. The FEM (finite element method) is popularly used in stress analysis of spherical tank. Due to the complexity of the structure and loads, e.g. the earthquake and wind load, how to deal with the finite element meshing of the model and the load boundary condition to increase the efficiency of design by analysis remains a valuable research subject. In this article, the structure design, stress analysis and strength evaluation criteria of the steel spherical tank were summarized at the beginning. Then we can use the software ANSYS of finite element analysis to working wind loads, earthquake loads under the transient dynamics analysis, and the snow loads under analytical. Finally, the kinds of stress and the evaluation criteria of strength have been introducted. Key words:spherical tank； finite element method； transient dynamics； wind load； earthquake load； snow load 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 III 目 录 第 1 章 概 述 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 液化石油气球形储罐的简介 . 2 1.3球形储罐抗震设计研究现状 . 6 1.4本文研究工作的目的和意义 . 7 1.5本文的主要工作 . 8 第 2 章 ANSYS 在球罐应力分析中的应用 . 9 2.1 有限元分析基本思路 . 9 2.2 ANSYS 软件 . 11 2.3 时程分析法 . 11 2.4应力数据处理方法 . 12 第 3 章 液化气球形储罐有限元计算模型的建立 . 15 3.1 问题描述 . 15 3.2 建模构想 . 15 3.3 单元类型的选择及网格划分 . 16 3.4 网格质量评判标准 . 17 第 4 章 液化气球形储罐有限元分析 . 20 4.1 风载荷下瞬态动力学分析 . 20 4.2 地震载荷下瞬态动力学分析 . 24 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 IV 4.3 雪载荷下静力学分析 . 27 第 5 章 液化石油气球形储罐的强度评定 . 29 5.1应力分类及应力评定 . 29 5.2强度评定 . 30 结 论 . 31 参考文献 . 32 致 谢 . 32 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 V 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 1 第 1 章 概 述 1.1 引言 随着科学技术的进步和工业的飞速发展，储存也逐渐成为工业生产工艺流程中不可缺少的部分。生产中为便于原料、产品或中间产品的运输、储存收集、添加等需使用各种储存容器，如液化石油气的运输、储存必须用槽罐 (车 )、储液罐等。用于生产中的各种加料罐、接收罐、中间储罐、成品接收罐等都是储存容器。压力容器作为一种重要的存储设备，在石油、化工、轻工等工业生产中得到了越来越广泛的应用和重视，特别 是大型压力容器设备的分析设计和使用安全问题越来越突出，因此越来越引起国内外有关专家和工程技术人员的关注。 钢制球形储罐 (以下简称钢制球罐 )是一种高效的适于储存的大型压力容器设备，储存介质涵盖了液化气体、氧气、氮气、天然气及城市煤气等，容量大，常常要工作在高压、高真空、腐蚀和低循环疲劳载荷等环境中，安全要求性高，制造工艺也比较复杂，受结构、自重和试验周期、经费的限制，现场及实验室的试验难以完成强度设计和状态监控等要求，需要通过计算机模拟等手段来有效解决试验中存在的问题，从而缩减研制经费和周期。 由于球 罐多用于储存易燃、易爆、有毒介质，因而使用中的安全性非常重要。我国球罐的建造起步晚，虽然发展较快，但目前同国际先进水平相比还有不小差距，主要表现在设计、制造、组焊、材料性能等方面。就球罐的设计而言，我国的球罐设计大多数都是采用常规设计方法，其载荷只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑由于地震、风力、压力波动等引起的交变载荷。由于没有对结构进行详细的应力分析，因而考虑材料的许用应力时，安全系数也取得较大，材料浪费较多。目前国内球罐应力分析多采用有限单元法，其基本思想是将连续的求解区域离散为 一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 2 多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。 1.2 液化石油气球形储罐的简介 球 罐最早出现在 19世纪末 20世纪初，早期的球罐为铆接结构。第二次世界大战以后，随着焊接技术的发展，球罐制造由铆接改为焊接，世界各工业国家先后着手建造、使用焊接球罐。美国于 1941年、前苏联于 1944年、日本于 1955年、前联邦德国于 1958年分别建造了一些压力较高、容量较大的球罐。我国球罐 制造始于 20世纪 50年代末 60年代初，当时建造的球罐容积大多在 31000m 以下。 1980年以来，我国通过引进特种大型球罐，并大量吸收了国外先进的技术，球罐设计、制造、组装、焊接与检验技术水平得到迅速提高。 1.2.1 球形储罐的结构设计 (1)球壳形式。钢制球罐是由许多块预先按一定的尺寸压制成形的球面板拼焊而成，直径较大。由于球壳是中心对称的结构，应力分布均匀，球壳体应力是相同直径圆筒形壳体应力的一半，压力载荷相同的情况下所需板材厚度最小，相同容积的结构表面积最小，与 同压力载荷、同容积的圆筒形容器相比，可节约材料30%-40%。球罐按其分割和球壳板的组合方式不同，可分为桔瓣式球罐、足球瓣式球罐，现在多采用集两者之长的混合瓣式球罐，即赤道带、温带采用桔瓣式分瓣结构，极带采用足球瓣式分瓣结构。球罐多采用现场组焊，即在制造厂内分瓣制造并运抵施工现场，球壳的组装、焊接及无损检测等均在现场完成。 (2)人孔与接管。我国针对球罐专门制定的设计、建造标准 GB12337-1998钢制球形储罐规定，球罐一般应在上、下极板各设置一个人孔，便于建造、使用及检验时人员、机具的出入。对于必须 进行焊后整体热处理的球罐，则上、下人孔应设在球罐的垂直中心线上。目前，大型球罐人孔多采用整体锻件凸缘结构进行补强，使开孔部位应力分布更趋合理。根据储存物料情况和工艺要求，球罐一般设置物料进出口、仪表接口以及排污口等。接管是球罐的应力集中部位，也是检验的薄弱环节。为了提高接管的安全性，目前大型球罐多采用锻件厚壁管或整黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 3 体锻件凸缘结构。为了便于工艺操作与控制，接管的位置应尽量集中在上下极板。 (3)球罐支撑。球罐支撑结构有多种型式，最常用的是赤道正切式。球罐支撑结构主要有支柱、拉杆、支柱底板和地脚螺栓等组成。对于 大型球罐，支柱一般分为两段或多段，这样一方面方便运输，另一方面可使支柱上段材质与球壳板相同，而下段采用普通结构钢，避免支柱与球壳板连接成为异种钢焊缝。支柱、拉杆设计不仅应考虑球罐在操作和水压试验等工况条件下的压力、设备自重和储存介质重量等载荷，而且应顾及当地的地质情况以及风载荷、地震等载荷。 1.2.2 球形储罐的结构及各部分名称 钢制球罐一般由球壳、上下人孔、进出气孔、支柱、托板、拉杆等部分组成，其结构示意如图 1所示。 图 1-1 球罐结构简图 1.2.3 球形储罐的材料 用于制造压力容器的材料较多。大多 数压力容器是碳钢、低合金钢、不锈钢制成的，此外还有用铸铁、铜及铜合金、铝及铝合金、钛及钛合金制成的。目前，国内生产的球壳板用钢主要有 16MnR, 15MnNbR, 07MnCrMoVR 和07MnNiCrMoVDR等， 07MnCrMoVR (07MnNiCrMoVDR)也称之为国产 CF-62钢，是一种标准抗拉强度在 86.1 10 Pa 以上的压力容器用钢，自上世纪 80 年代研制成黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 4 功以来，在压力容器制造方面，尤其是在钢制球罐制造方面得到了广泛的应用。国内在开发 07MnCrMoVR的 同时，完成了配套锻件 08MnNiCrMoVD和配套焊条的开发，为国产 CF-62钢在压力容器及其它工程结构中的应用打下了良好的基础。近年来，随着国产质量技术指标的逐步提高，即使主体材料选用进口 CF-62钢板，配套锻件也可采用国产 08MnNiCrMoVD锻件。 1.2.4 研究现状 由于许多国家都发生过球罐脆性开裂事故，其后果非常严重，甚至是灾难性的。国外已采用先进的分析设计方法设计球罐和对在役中的球罐进行强度分析。目前压力容器及其部件的设计可分为基于弹性失效准则的 “规则设计 ”(Design by Rule)和基于塑性失效准则的 “分析设计 ”(Design by Analysis)。其中分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，不仅能解决压力容器常规设计所不能解决的问题，而且代表了近代设计的先进水平。 分析设计的理论基础是板壳力学、弹性和塑性理论以及结构的有限单元法。美国 ASME 锅炉及受压容器规范是以应力分析设计为基础的历史最早的压力容器规范，我国分析设计规范是在美国 ASME 锅炉及受压容器规范第八卷第 2 分篇的基础上建立起来的，并于 1998 年在全国开始实施，也就是 JB4732-1998钢制压力容器一分析设 计标准，该标准是以分析设计为基础的钢制压力容器标准，提供了以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的设计方法，对选材、制造和验收规定了比 GB150-2000 钢制压力容器更为严格的要求，若与GB150-2000钢制压力容器同时实施，在满足各自要求的条件下，可选择其中之一使用。该标准适用于设计压力大于等于 60.1 10 Pa 且小于 6100 10 Pa 的容器，以及真空度高于或等于 60.02 10 Pa 的容器，适用的设计温度是低于以钢材蠕变控制其许用应力强度的相应温度。 GB12337-1998钢制球形储罐属常规设计方法，该标准规定了碳素钢和低合金钢制球罐的设计、制造、组焊、检验与验收的要求，适用于设计压力不大于64 10 Pa 的桔瓣式或混合式以支柱支撑的球罐 ；适用的设计温度范围按钢材允许的使用温度确定。球罐的设计、制造、组焊、检验与验收除必须符合本标准的规黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 5 定外，还应符合 GB150-1998钢制压力容器的规定。 GB150-1998钢制压力容器 适用于设计不大于 635 10 Pa 的容器。 钢制球罐的应力分析和强度评定，主要依据 GB12337-1998 (钢制球形储罐和 JB4732-1995钢制压力容器一分析设计标准。我国球罐设计标准最早采用的是常规设计，即为建立在第一强度理论 (最大主应力理论 )基础上的传统设计方法，得到的结果较为保守。现多采用 JB4732-1995钢制压力容器一分析设计标准，利用应力强度 (stress intensity，即 SINT)作为强度校核的准则，其实质是第三强度理论。 在对钢制球罐应力分析过程中，有多种分析方法，如解析法、数值法等，其中有限元法是适应计算机技术而发展起来的一种比较有效的数值方法，其实质就是具有无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。目前常采用的有限元分析软件主要是ANSYS. ANSYS 公司于 1970年由 John Swanson博士创建，其总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，开发的 ANSYS 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，已广泛应用于机械、交通、军工、电子、生物 医学、水利、石油化工、能源、航空航天等许多领域。 30 年来 ANSYS 软件不断吸取新的计算方法和计算技术，随着交互方式的加入，简化了模型的生成和结果的评价。特别是其强大的后处理功能，大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析，减少了应力分析设计时间，缩短了设计的周期 7 。钢制球罐时常盛装着具有腐蚀性的介质，这严重影响着球罐的安全运行和使用寿命。在石油、化工行业，每年由于腐蚀造成的经济损失难以估计，这些由于环境介质苛刻化带来的一系列危险使人们措手不 及。因此，工业发达国家从上个世纪 70年代开始系统研究苛刻介质对设备的腐蚀影响，建立了研究和管理腐蚀的全国性机构，成立了各种国际性组织，举行了专题的学术会议研究讨论腐蚀问题，形成了大量专著和专业性期刊。目前比较成熟的压力容器缺陷评定方法主要包括 :以线弹性断裂力学 (应力强度因子 K 准则 )为基础的评定方法，如美国机械工程师协会 ASME方法；以弹塑性断裂力学 (COD准则 )为基础的评定方法，如英国标准协会 PD6493方法，中国 CVDA-84。 SAPV 95 等；以 J 积分为基础的评定方法，如美国电子研究院黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 6 EPRI方法；以 脆性断裂和塑性失稳双判据 (J准则 )为基础的评定方法，如英国中央电力局 CEGBR6方法等四大类。目前，各种方法逐渐演变融合的统一发展趋势。 目前在此类工程压力容器问题的研究中，有一些主要涉及理论层面，诸如在压力容器分析设计时如何进行合理的应力分类以及校核线的位置和方向如何选择等问题的分析研究中，陆明万、周羽、王磊等人分别给予了综合全面的阐述 :在工程实际应用方面多是采用一种具体的方法解决一个具体问题，或者是直接给出一些分析结果进行论述。李永泰等在 310000m 丁烷 和天然气球罐、 33200m 液化石油气球罐等问题的研究中，重点对不同支柱型式及其与球罐连接结构进行了有限元分析和研究，对我国大型重介质球罐的设计提出了一些基本原则；在 31000m 氧气球罐的应力分析设计中，对球罐整体及其上下极开孔结构压力试验工况、操作工况、地震工况和压力波动疲劳工况的有限元计算结果进行了分析和强度评定，提出了一些分析处理的方法。陈学东等通过试验的方法，研究讨论了某些压力容器用钢在一定工作环境中的力学性能，用以对 裂纹扩展速率或者寿命进行分析评估。现有的研究成果和取得的经验，对于球罐分析设计的具体过程或者如何保证分析过程的准确性而言还少有研究讨论，也没有对钢制球罐从设计到在役的情况进行全过程的综合分析，因此，利用在这两个方面进行一些探索也是一个有益于指导工程实践的重要课题。 1.3 球形储罐抗震设计研究现状 国外从 60年代开始对一些重要工业设备进行了抗震研究，取得了较好的成果。我国在唐山地震之后，收集了大量的震害资料，开展了工业设备的抗震研究。 近年来，随着建筑物抗震经验的积累和抗震研究的发展，考虑到地震的不确定性以 及中长期地震预报还不太准确，因此国际上对抗震目标逐渐趋向于 “小震不坏、中震可修、大震不倒 ”的抗震思想。我国 1990 年开始实施的 GBJ11-1989建筑物抗震设计规范对设防标准作了如下规定 : (1)在遭受较常遇到的低于本地区设防烈度的常遇地震影响时，建筑物不损坏； (2)当遭受本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用； 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 7 (3)在遭受预估的高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。 对于球形储罐的常规设计，目前国内外规范，如日本高压瓦斯 设备抗震设计标准和我国的 GB12337-1998钢制球形储罐，都把球罐看作单质点体系，视球壳为刚体，支撑两端为绞结，地震载荷作用于球体中心。根据场地特征、设防烈度及球罐的自振周期，由标准地震反应谱得到最大地震加速度，由此得到作用于球心的地震力。结构的抗震计算就基于这个作用于球心的地震力。在这一点上，各个标准只是球罐等效质量和系统刚度的取法各有不同。对于球罐的分析设计，全国压力容器标准化委员会的梅林涛等在球形储罐应力分析及评定一文中指出，对球形储罐进行有限元计算时，可以将地震力考虑为一种惯性力，通过给定地震水平加速度和垂直加速度且给定球罐各种材料密度来实现地震力的施加，即 F=ma。并且考虑到垂直地震作用产生的应力水平较低，一般情况下可不考虑垂直地震力的影响。介质的地震惯性力可通过质量等效转移法做工程上的处理，即将内盛介质的质量通过增大球壳的密度来等效实现惯性力。另外，中国天然气总公司基建局的李娥通过球形储罐模型振动试验研究，验证了我国学者提出的简化计算方法的科学性和实用性。卢薇等对设备安置和设备联接方式分类，建立了工业设备的抗震计算模型和破坏准则，从而为工业设备的抗震计算和设计提供了依据。总的来说，球 形储罐的抗震研究已取得了很好的成果，但还不是很成熟，计算过程中有很多的简化。其中一些计算中未考虑的问题，如垂直地面运动对设备的影响，地面运动的长周期分量对设备的地震破坏所产生的作用，设备的随机地震反应，设备的初始几何缺陷的影响等课题正处十进一步研究中。 1.4 本文研究工作的目的和意义 在工程问题中的处理中，各种计算机辅助模拟手段有了大量的应用，钢制球罐的分析设计也是如此。由于采取的计算机辅助手段、模拟方法和依据的设计标准、强度理论有所不同，所以得出的结论往往会有所差别，甚至不同的工程技术人员采取同样的手段、 方法和标准、理论处理同一个问题仍然可能没有得到一致的结论。本文通过对 32000m 钢制球罐进行系统完整的有限元分析设计和强度评定，黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 8 寻求在实践中解决或者尽可能避免这种得不到一致结论问题的方案。 1.5 本文的主要工作 (1).利用 ANSYS 软件，建立钢制球罐的结构模型和网格划分，分别在风载荷、雪载荷、地震载荷的工况下对其进行加载计算。 (2).进行分析设计和强度评定，得到在工程中可以接受的结果，确保钢制球罐在专业操作下正常无事故使用。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 9 第 2 章 ANSYS 在球罐应力分析 中的应用 2.1 有限元分析基本思路 有限元分析方法起源于二十世纪五十年代，它是处理连续介质问题的一种普遍方法。它开始作为应力分析的一种数值方法而出现，用于对航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在则在固体力学、化工设备强度设计等方面得到了广泛的应用。 从物理角度理解，由单元组合结构近似代替了原连续结构，若能合理求出各单元的弹性特性，这样，结构在一定约束力条件下，在给定载荷的作用下，就可以求出各结点的位移，进而求解单元的应力 ；从数学角度讲，有限元法是从变分原理或者加权残数法出发，把数理方程的边值问题化为等 价的一组多元线性代数方程的求解，把求解区划分为许多的子域，子域内的位移可用相应的节点的待定位移合理插值来表示，按原问题的控制方程和约束条件，可以求解出各节点的待定位移。在满足一定的条件下，单元越小，节点越多，有限元法的数值精度越高。 有限单元法的基本思路是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体 。 由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似 函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量 (即自由度 )，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题，一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然，随着单元数目的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 10 解。 通常有限元分析分为以下三步 :先将计算结构划分为有限多个规则的、有限大小的区域，称为单元划分。一个构件即可看成有限多个小单元的集合。一般来讲，单元越小，网格密度计算结果越精确，同时要求计算机容量也就越大，在保证计算精度的条件下，单元应尽量取少些。在这个过程中，需要综合运用工程判断力决定单元的形状、大小 (网格的疏密 )、数目、单元的排列以及约束的设置等。然后，在每个单元的局部范围里可以采用比较简单的函数来近似表达单元的位移，把各单元的近似位移函数连接起来，就可以近似表达整个区域的真实位移函数。最后，通过节点平衡或 协调条件，运用叠加原理将各单元的特性关系组集成整体构件的特性关系，即建立整体构件的节点位移向量与节点力向量之间的特性关系，从而得到一组以节点位移分量或节点力分量为未知量的多元一次方程组。这时引入构件的约束条件就可以求解构件强度问题的数值解。 上述由构件整体划分成各单元，又从各单元集成整体的分析方法，恰是有限元的独特之处。该法的实质是采用分块近似插值函数法逼近整体连续函数，可使构件强度问题得到核体离散逼近分块连续的近似数值解，与力学中的其他各种数值解相比具有很大的优越性。有限元方法有很强的通用性，该方 法可以用于各种问题，所分析的问题可以具有任意的形状、载荷和边界条件。有限单元法的另一个特征是网格与实际结构之间高度的物理相似，网格可以将不同类形、形状和物理性质的单元混合起来，网格并不是一种难以形象化的数学抽象。 三十多年来，有限单元法理论得到了完善，其应用领域已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。 由于有限元法具有上述特性，因此我们可以 利用它来对 球形储罐 结构进行详细的应力分析，作为分析设计的有力手段。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 11 2.2 ANSYS 软件 计算机技术的发展极大地推动了计算机仿真、模拟技术在工程问题分析中的应用，而有限元分析技术作为一种现代分析计算方法也得以迅速发展。 ANSYS 软件是有限元分析中的佼佼者，它从 70 年代诞生至今，经过近 30 年的发展，己经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平，功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备的、使用高效的有限元软件系统，是一个融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，唯一实现了前、后 处理、分析求解及多场祸合分析统一数据库功能。 ANSYS 软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高效地求解各类问题，此外， ANSYS 还可进行概率设计、优化设计、并可对其进行二次开发来实现用户需要的功能。它的完全交互式的前后处理和图形软件，减少了用户建模、计算分析和结果评价的工作量；它的 DDA 模块实现了它与多种 CAD 软件产品的有效连接，使模型和数据可以方便地转换。 正是由于 ANSYS 软件的卓越性能， 1995 年，在分析软件中，第一个通过IS09001国际质量体系认证，是美国机械工程师协会 (ASME)和美国核安全局 (NQA)以及近 20 种专业技术协会认可的标准分析软件，在国内， ANSYS 分析软件第一个通过国家压力容器标准化技术委员会认证，并在国内压力容器行业推广。它有专门为压力容器设计而配备的压力容器版，可以根据给定的应力处理线，自动计算出薄膜、弯曲和峰值等各类应力强度，简便、准确、省时，是压力容器有限元分析计算的理想工具。 2.3 时程分析法 地震作为一种突发性的自然灾害，给人民的生命财产带来了巨大的危害。在目前还不能准确预报地震的情况下，认真搞好工程抗震，有着十分重要的意义。黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 12 本次分析地震的响应采 用时程分析法。 结构的地震反应是一种动力反应，反应的大小不仅与外来干扰作用的大小及其随时间的变化规律有关，而且还取决于结构本身的动力特性，即结构的自振周期、振型与阻尼。由于地震时地面运动为一种随机过程，运动极不规则，而结构为由各种构件组成的空间体系，其动力特性十分复杂，故由地震引起的结构振动是一种很复杂的空间振动。 目前，在工程上求解结构地震反应的方法大致可以分为两类：一类为拟静力方法，或称等效荷载法，即通过反应谱理论将地震对结构物的作用，用等效的荷载来表示，然后根据这一荷载用静力分析方法对结构进行 内力及位移计算，以校核结构的抗震能力 ： 另一类为直接动力分析法，即对动力方程进行直接积分，求出结构反应与时间变化的关系，得出所谓时程曲线，因此亦称时程分析法。 由于地震作用是一个时间过程，因此反应谱法不能反应结构在地震动过程中的经历，同时目前应用的加速度反应谱属于弹性分析范畴，当结构在强烈地震下进入塑性阶段时，用此法进行计算将不能得到真正的结构地震反应，也判断不出结构真正的薄弱部位。 时程分析法是根据选定的地震波和结构恢复力特性曲线，对结构物的运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法 。由时程分析可得到结构物各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，并进一步计算出构件应力的时程变化关系。 时程反应分析是建立在模态分析的基础上的，合理选择地震波，即结构随时间变化的加速度 (或速度 )反应曲线十分关键，使之与场地可能发生的地震动力反应在动强度、谱特征和持续时间三个要素方面均能较好地符合。 2.4 应力数据处理方法 本节讨论有限元计算后处理 -线性化处理的理论和方法。在建立有限元模型划分网格并施加边界载荷后， ANSYS 软件可以自动进行求解。应力分布结果可以通过应力云图 (等值线图 )直观表示出来。 计算后应力数据处理可采用点处理法、线处理法和面处理法。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 13 点处理法是最简单的方法，相对而言也是不够准确的方法，往往掩盖着潜在的危险。 “线法 ”和 “面法 ”是两种较精确的方法，它们主要是利用沿壁厚的一条线或一个面上的应力值进行拟合，进而计算出各类应力强度。显然， “面法 ”是最精确的方法，也是最复杂的方法。鉴于此，本文对有限元计算结果采用线处 理法。 线处理法是将容器各计算部位应力，按选择的危险截面把各应力分量沿一条应力处理线首先进行均匀化和当量线性化处理，然后进行应力分类评价。均匀化处理后的平均应力，其值属薄膜应力；当量线性化处理后，线性部分应力属弯曲应力，剩余的非线性部分即为峰值应力。 关于沿线的应力处理与分类可采用以下方法： (l)先将沿线各点的应力分量 (有限元法计算结果 )拟合出各自的应力分量分布曲线。 6个应力分量拟合出 6条分布曲线。例如经向正应力xs，按二次曲线用最小二乘法拟合得出 为 ： 21 2 3x a W a W as （ 2-1） 式中 :W 应力处理线上的无量纲局部坐标，即 /xW l l， l 为处理线全长，xl为处理线上含量纲的坐标，当 0xl， 0W ，即为该线的一端 ；当 1xl，1W ，即为该线的另一端，此点为最大应力点； 1 2 3a a a、 、拟合曲线常数， Mpa。 (2)根据拟合曲线公式，沿处理线按合力等效可以得出平均应力ms；再按净弯矩等效可以得出处理线端点的线性弯曲应力bs和其线性应力Ls。而拟合曲线的最大应力maxs则在处理线的端点 1W 或 0W 处。现仍以上式xs的二次式为例， 由此得出 1120 1( ) 6 ( ) ( )2x b x x m W d W a as s s （ 2-3） 两端的线性应力为平均应力与线性弯曲应力之和，即 当 1W 时，1 1 2 35( ) ( ) ( ) 6x L x m x b a a as s s （ 2-4） 当 0W 时，1 1 2 35( ) ( ) ( ) 6x L x m x b a a as s s （ 2-5） 二次曲线拟合的最大应力， 当120aa，当 1W 时一端， m a x 1 2 3a a as （ 2-6） 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 14 若120aa，则 0W 的一端，max 3as (3)根据各应力分量的平均应力、最大线性应力和曲线拟合的最大应力，计算出各自的主应力1 2 3 1 2 3()s s s s s s、 、 ，。 (4)计算出各自的应力强度 (13INTS ss，第三强度理论 )。平均应力的应力强度 ()INT mS (视其作用范围是总体的还是局部的，归属于mP或LP)。线性应力的应力强度 ()INT LS归属于LbP P Q。 当操作工况要求进行疲劳分析时，则还需采用拟合应力最大值的应力强度max()INTS，此 即属于LbP P Q F。 这一过程在指定路径后，可以由 ANSYS自动进行数据后处理。 在线处理法中应注意危险截面的选择，即确定应力处理线的位置和走向，这是关系到计算平均应力和当量线性应力、峰值应力大小的重要步骤 。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 15 第 3 章 液化气球形储罐有限元计算模型的建立 3.1 问题描述 球壳本体材料为 15MnNbR，内直径为 15700mm，名义厚度为 44mm。上支柱为 U 型支柱，顶部盖帽由 10mm厚 16MnR 钢板卷制而成， U 型内部的水平和垂直两块加强板均为 10mm 厚 16MnR 钢板 ，上下支柱之间的支撑板为 44mm 厚16MnR钢板，下支柱用 Q235A钢板卷制成 560 10 的钢管，共 10根。拉杆选用20钢制成的圆钢，在每相邻支柱间交叉布置，支柱底板为 54mm厚 Q235A钢板。支柱底部底面至球壳中心的距离为 10340mm，上支柱高度为 2700mm，底板直径为 986mm。 16MnR 的弹性模量 112.03 10 Pa ，泊松比 0.3，常温下强度指数为5 1 0 , 3 4 5bsM P a M P ass。 20 钢的弹性模量 112.1 10 Pa ，常温下强度指数为4 0 0 , 2 2 0bsM P a M P ass。 3.2 建模构想 石油化工装置不可缺少的重要设备，在工业生产中有着非常广泛的应用。目前我国的球罐设计绝大多数都是采用常规设计方法，只考虑单一的最大载荷工况，按一次加载处理，不考虑交变载荷。由于没有对结构进行详细的应力分析，只能把局部应力粗略地控制在一个安全水平上，在考虑材料许用应力时选取相对高的安全系数，留有足够的安全裕度。目前国内球罐应力分析多采用有限单元法。采用有限单元法进行结构 分析时，划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。 利用 ANSYS 软件中强大的实体造型功能，采用实体建模的方法创建模型、对其进行网格划分从而进行加载计算，处理后便可得出结果。采用由顶向下的方黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 16 法构造三维有限元模型。 由于球罐配有十根支柱，不是完全的轴对称图形，因此选取整个球罐带作为研究对象。建模过程中，首先选择结构分析类型，在前处理程序中，定义好单元类型和材料常数，然后在工作平面内创建所有几何体结构。上部为 U型支柱，先创 建上支柱顶部盖帽，依次建立 U型外壁及 U型上支柱内壁中水平和垂直两块加强板。上下支柱之间的支撑板是由一块半圆板和一块梯形板组成，梯形板的形成需要用面拉伸的方法生成。需要注意的是，上支柱的顶部盖帽、 U 型支柱直边以及支撑板的梯形部分必须与球壳相切，这样才能在后续的加载计算中得出正确可靠的结果。 3.3 单元类型的选择及网格划分 三维有限元的计算结果与采用的单元形式及划分网格的方法密切相关，单元类型对于得到正确的计算结果至关重要，因此必须根据被离散区域形状、结构类型、计算分析类型等正确选择单元类型。本模型球体部分选 用的单元类型是SHELL63。 SHELL63板壳单元，每单元 4个节点，每节点共有六个自由度，分别为沿 x, y, z的位移及绕轴转动 Rx, Ry, Rz。其他部分网格划分采用 20节点三维实体等参元 (SOLID95)，该单元是 8节点三维实体单元 SOLID45的更高层次的型式，它能在确保精度不受影响的情况下容纳某些不规则形状单元，容错功能强，并且能与任何位移和形状相协调，尤其对曲线边界有很好的适应性，可适用于空间、塑性变形、蠕变、应力硬化、大弯曲、大应变等各种场合。 对于球壳与支柱连接区域的几何形状不连续、切线为 曲线以及应力、变形求解的需要，采用 SOLTD95单元进行分析计算是最为恰当的。 在建立有限元模型中，网格划分是一个重要环节。所划分的网格将直接影响计算的精度和计算的规模。对于十支柱采用赤道正切 U形柱结构的球罐而言，网格划分的难点在十支柱柱体、 U 形柱与连接板二者的结合部位以及支柱盖板和球壳的结合处。 由于此处结构较为复杂，连接板上表面与下表面的几何拓扑差异很大，此处的网格较难处理，很多有限元分析软件都只能将其处理为全四面体单元。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 17 3.4 网格质量评判标准 网格划分过程涉及到一个必不可少的步骤，即对网格质 量的度量或评判。长期以来，对单元质量的度量或评判并没有公认的或绝对的标准。近年来，有限元工作者们从不同角度提出了各种判据或准则，综合起来包括以下常用的几种 : (1)单元边长比 (Respect Ratio)是指单元最长边和最短边的比值。它反映的是单元外观的差异，一般认为比值越接近 1越好。 (2)偏斜度 (Skew)反映的是单元夹角的偏斜程度，即与理想形状的差异。一般认为该值接近零越好。 (3)翘曲度 (Warpage)反映单元的扭曲程度。例如四边形单元，翘曲度指的是单元对角线分割的两三角形垂直矢量间的夹角。理想 单元的翘曲度为零。 (4)雅各比数 (Jacobian)即雅可比行列式的值。雅可比行列式是一个多变量函数的行列式，其值不能为 0，也不能为负数。从几何意义上看，三角形单元以正三角形内切圆、四面体单元以正四面体内切圆、六面体单元以正方体内切圆的面积 /体积为标准，雅各比数是用一内切圆 /球放入平面 /立体单元内，其所占面积 /体积与标准面积 /体积的比例来衡量单元质量的一个参数。雅各比数必须大于零，即单元必须是凸的。 为建立正确、合理的有限元模型，在划分网格时，需要在网格的数量、疏密、阶次、质量、分界点、编号 等方面给予足够的考虑。 (1)网格数量是网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时，计算规模也会随之增加。因此应该权衡此两个因数，综合考虑。对于动力分析而言，网格的数量一般都相对较多。结合对成本和计算环境要求的考虑，在满足精度的情况下尽量减少网格的数量。 (2)网格疏密是指在结构的不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布结构。在计算数据变化梯度较大的部位 (如本研究中支柱与壳体的连接处 )，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集 的网格；反之，则采用比较稀疏的网格。本研究中，支柱与壳体的连接处采用最密集的网格 以四倍的网格进行细化，由连接处想外扩展，密疏逐渐过渡，分别以两倍和一倍网格进行划分，以保证接管相贯区的计算精度。此外，有必要检测高应力区附近单元的质量指标，黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 18 对于质量较差单元，逐一调整单元参数，以保证单元质量，确保计算精度。 (3)由单元阶次方面看，许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。高阶单元的曲线能够更好地逼近结构曲线和曲面边界，且高次插值能够更好地逼近复杂函数，因此选用高阶单元可以提高 计算精度，但是其计算规模也要大很多。当适当增加网格数量可以提高到规定的计算精度时，原则上不提倡使用高阶单元。本次研究采用三维 20节点等参单元计算出的结构己经满足精度要求。 (4)网格质量是指网格几何形状的合理性 ， 其好坏将影响计算精度。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲，边界点位于边界等分点的网格质量较好。本次研究中采用自由网格划分方式，满足程序要求。结构中的一些特殊界面和特殊点应该分为网格边界或者节点以便定义材料特性、物理特性和位移约束条件，即应让边界条件来适应网格，如材料分界面、结合尺 寸的突变面等。本次研究中材料种类相同，因此只需考虑几何尺寸的突变面、连接面等边界条件。 (5)而位移协调性是指单元上的力和力矩能够通过节点传递给相邻单元。本次研究中的模型为三维实体模型，相邻单元的共有单元具有相同的自由度性质，故能够满足位移协凋性。 (6)节点和单元的编号影响节点总刚度矩阵的带宽和波前数，团而影响计算时间和存储容量的大小。因为 ANSYS 程序本身带有优化器，故在本次建模过程中，直接由程序定义节点号和单元号。 对于复杂的三维模型， ANSYS 软件提供了三种方法网格划分方法 2728 。 (1)自由网格划分 自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上 (平面、曲面 )可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。通常情况下，可利用 ANSYS的智能尺寸控制技术 (SMARTSIZE命令 )来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小 (AESIZE, LESIZE, KESIZE, ESIZE等系列命令 )并控制疏密分布以及选择分网算法等 (MOPT 命令 )。对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常会很大，计算效率 降低。同时，由于这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元，为了获得较好的计算精度，往往需要采用二阶四面体单元，由此带来的问题是计算量的倍增。 (2)映射网格划分 映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法，其原始概念是 ： 对于黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 19 面，只能是四边形面，网格划分数需在对边上保持一致，形成的单元全部为四边形 ；对于体，只能是六面体，对应线和面的网格划分数保持一致；形成的单元全部为六面体。这种方法对于几何模型的规整度要求较高，对于三维复杂几何模型而言，通常的做法是利用 ANSYS 布尔运算功能，将其切割成一系列四 、五或六面体，然后对这些切割好的体进行映射网格划分。这种纯粹的映射划分方式比较烦琐，需要的时间和精力较多。 (3)扫略网格划分 对于由面经过拖拉、旋转、偏移 (VDRAG, VROTAT, VOFFST, VEXT等系列命令 )等方式生成的复杂三维实体而言，可先在原始面上生成壳 (或 MESH200)单元形式的面网格，然后在生成体的同时自动形成三维实体网格；对于已经形成好了的三维复杂实体，如果其在某个方向上的拓扑形式始终保持一致，则可用 (人工或全自动 )扫略网格划分 (VSWEEP 命令 )功能来划分网格；这两种方 式形成的单元几乎都是六面体单元。通常，采用扫略方式形成网格是一种非常好的方式，对于一些复杂几何实体，经过一些切分处理，就可以自动形成规整的六面体网格，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。这种方法的前提是必须将几何模型切分为在某个方向上拓朴形式一致的块，而对于一些复杂的三维模型，能做到这一点也是很难的。因此这种方法也有其局限性。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 20 第 4 章 液化气球形储罐 有限元分析 4.1 风载荷下瞬态动力学分析 当球壳受到风载荷时，受载荷面为球面的某一部分，并且沿球面是随时间变化的函数。在球坐标的环境下设置风载荷 ，风速为 60N/m2 ，风激励简化后加载函数为 220 . 4 4 1 | s i n | ( 0 . 5 c o s c o s s i n )Pt w f q f 风以一定的速度吹绕过设备，也给设备施加水平作用力，使设备承受弯矩，同时由于风速时大时小，还会引起设备的振动；在一定条件下，更会产生风的诱导振动。上述的各种载荷如何组合，需根据不同情况来分析，以确定实际可能发生的最危险的状态。 气流绕流过静止的构筑物而施加给构筑物的力是很复杂的，它与构筑物的形状、表面状况以及气流绕流雷诺数等有关。 图 4-1 整体结构等 效应力云图 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 21 图 4-2 支柱 X 向轴力云图 图 4-3 托板等效应力云图 提取设备在风载荷作用下的上下两节点的 X 向速度随时间变化曲线 (图 4-4)进行观察，球罐上节点的速度变化大于下节点的变化，这是因为球罐上部受到风载荷影响较大。由上节点的 X 向速度随时间变化曲（图 4-5）可读出上节点地位移在 0.5 秒之后趋于平稳，从 支柱 部位发生变形。进一步观察托板部分后处理 (无连接板 )合位移云图（图 4-6）及支柱部分合位移云图（图 4-7），可以看到最大合位移出现在迎风侧。在 Y方向上球罐各节点的位移和速度随时间变化不 明显。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 22 图 4-4 上下两节点的 X 向速度随时间变化曲 线 图 4-5 上节点的 X 向速度随时间变化曲线 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 23 图 4-6 托板部分后处理 (无连接板 )合位移云图 图 4-7 支柱部分合位移云图 用函数加载的方法，较以往将设备分成若干段，并设每段作用的风压值均匀分布，其大小就是该段中点处的风压值的计算方法，更接近实际载荷情况，而且结果更加准确、直观。由 球形储罐 在风载荷下的变形图可知，在风载荷的作用下支柱部位发生变形，致使迎风侧与背风侧的轴向应力情况不再对称。对计算结果提取轴向应力， 找到 支柱 在风载荷柞用下的最大、最小轴向应力，用以对支柱进行弧度评价 。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 24 4.2 地震载荷下瞬态 动力学分析 地震作为一种突发性的自然灾害，给人民的生命财产带来了巨大的危害。在目前还不能准确预报地震的情况下，认真搞好工程抗震，有着十分重要的意义。地震载荷对于球罐来说，是不可忽视的。由于地震地面运动的特性受到许多因素的影响，即使同一地点、相同的地震烈度，前后两次地震记录到的地面运动加速度时程曲线也可能有很大差别。已知地震波的记录，取其垂直方向和南北方向的记录，记录时长，每隔一定时间间隔记录其载荷值的变化情况。 结 构在地震作用下的运动方程为 0 M x C x K x M x （ 4-1） 式中各项分别为 :惯性力、阻尼力、弹性恢复力和激励力 :其中 M、 C、 K分别为模型的质量矩阵 阻尼矩阵、刚度矩阵 ； x 、 x 、 x 分别为节点的加速度、速度、位移向量 ；0x为地震时地面运动加速度。假定阻尼矩阵 C是质量矩阵 M和刚度矩阵防 K的线性组合 C M Kab （ 4-2） 式中 mw、nw一般应取结构第一、二角频率，阻尼比mx、nx氛取在 0.01到 0.1之间。计算得到 a 、 b 后，由式 (4-1)得 C，然后对式 (4-2)直接积分，则可得到结构在地震作用下的反应时程。 对于多自由度体系，每一个节点上产生的弹性力分量，依赖于结构所有节点产生的位移分量 : 1 1 2 2 3 3.s i i i i m nf k v k v k v k v （ 4-3） n为用来描绘结构位移的自由度的数目。方程 (4-3)表示 n个运动方程，用来确定多自由度体系的反应。因为假定了结构的行为是线性的，因此应用了叠加原理。用矩阵表示全部弹性力的关系式，则可以写成 ： 即 sf=KV （ 4-4） 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 25 同理，与所选择的自由度对应的阻尼力可以表示为 ： 即 sf=CV （ 4-5） 惯性力表达式 ： 即 lf MV （ 4-6） 有限单元法提供了计算弹性特性的最方便的方法，把结构分割成只在有限个节点处相互连接的离散单元体 系，通过计算单个有限单元的特性并适当地将它们叠加，就得到整个结构的特性。再利用高斯积分法求出结构的刚度系数，进而求出结构的反应内力。 图 4-8 整体结构等效应力云图 . 经过加载计算，得出球罐上下两节点的 X向速度随时间变化曲线（图 4-9）。可以看出在地震载荷的作用下，上节点在 X方向速度的变化为 221 .5 1 0 /ms，大于其下节点的变化，说明在地震载荷的作用下，对球罐上部的影响大于对下部的影响。而图 4-11 所示为在地震载荷下，上下两节点的 Y向位移随时间变化曲线。同样上节点的波动依然大于下节点，但相差不大。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 26 图 4-9 上下两节点的 X 向速度随时间变化曲线 图 4-10 上下两节点的 X 向位移随时间变化曲线 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 27 图 4-11 上下两节点的 Y 向位移随时间变化曲线 采用时程分析法对球形储罐的地震反应进行计算，克服了以往计算地震载荷时，仅由地震烈度和地震影响系数所确定的经验公式来计算结构在地震发生时的平均响应情况，而没有考虑地震的波动性对设备造成的破坏的放大作用。通过后处理程序提取地震过程中拉、压应力危害最大的工况，得到结构各部分在该工况下的应力响应，从而可以 对所关心的局部区域进行强度校核，以利于结构的优化改进。 4.3 雪载荷下静力学分析 雪载荷是北方地区必须要考虑的一项指标，它的受力面主要是在于球罐的顶部。在本次研究中，球罐上部的基本雪载荷设定为 450N/m2。经过年初南方所遭受的重大雪灾之后，球罐针对雪载荷的防范安全措施，应进一步加强。由雪载荷下整体合位移云图（见图 4-13）可知，整体结构在雪载荷下的最大位移为0.002037m。 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 28 图 4-12 雪载荷下拉杆合位移云图 . 图 4-13 雪 载荷下整体合位移云图 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 29 第 5 章 液化石油气球形储罐的强度评定 塑性理论指出，由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是不同的。根据等安全裕度原则，危险性较小的应力可以比危险性较大的应力取更高的许用应力强度值。同时，由板壳理论或弹性力学求解出的应力，根据产生应力的原因和导出应力的方法可分为三类共五种，即一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力。 5.1 应力分类及应力评定 在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器部件设计所关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚