基于ANSYSWorkbench软件的球罐有限元分析.docx

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1、基于ANSYS/Workbench软件的球罐有限元分析摘要：运用ANSYS/WorkbenCh对已有的2000m3球罐进行有限元分析。结果表明：地震作用下球罐的变形量最大、受力情况最为复杂，设计时需重点考虑该工况下球罐的支柱及拉杆的应力分布情况；ANSYS/Workbench用于球罐分析计算时比ANSYS/APD1经典版的效率更高、操作性更强。关键词：ANSYS/Workbench；球罐；应力分析球罐作为一种大容量的压力容器，被广泛应用于石油、化工、冶金等部门。它既可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器，也可以用来作为压缩气体（空气、氧气、氮气、城市煤气）的储

2、罐。球罐的操作温度一般为-5050,操作压力一般在3MPa以下。与圆筒容器（即一般储罐）相比，在相同直径和压力下，球罐壳壁的厚度仅为圆筒容器的一半，钢材用量省，且占地较小，基础工程相对比较简单。文中运用ANSYS/Workbeneh有限元分析1软件，对某工程中的2000m3球罐进行强度分析设计验算，以了解球壳及其支柱2在水压试验工况、设计工况以及地震作用工况3下的应力分布情况，判断其用于球罐分析设计时计算结果的可靠性。1设计条件及软件1.1 球罐设计条件球罐基本设计参数和分析计算条件如表1、表2所示。表1基本设计参数公称容朋m充装系数内直径m支柱数目设计压力MPa设计温度/T介质密度(kgm-

3、3)20000.9IS700102.445-26500腐蚀格址mm战本风压Pa基本T压/Pr抗震设防烈度壳体材料上支柱材料下支柱材料1.55504007JGE-HHITEN610U21JGE-HH1TEN610U21Q345D公称容积/m3充装系数内直径mm支柱数目设计压力/MPa设计温度/C介质密度/(kgm-3)20000.915700102.4-45-26500腐蚀裕量mm基本风压/Pa基本雪压/Pa抗震设防烈度壳体材料上支柱材料下支柱材料1.55504007JGE-HHITEN610U21JGE-HHITEN610U21Q345D作者：杨国强，男，1992年出生，助理工程师。Emai1

4、：445044383表2分析计算条件计算温度/设计压力/MPa重力加速度/(mST)地震最大水平加速度/(mST)-262.49.810.9151基本水压试验安全安全风压/Pa压力/MPa系数7?b系数S5503.02.41.5计算温度/设计压力/MPa重力加速度/(ms-2)地震最大水平加速度/(ms-2)-262.49.810.9151基本风压/Pa水压试验压力/MPa安全系数nb安全系数ns5503.02.41.51.2 分析计算软件4WOrkbenCh是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题4o自ANSYS7.0开始,ANSYS公司推出了ANSYS

5、经典版(ANSYS/APD1)和ANSYS/WorkbenCh两个版本,拥有相同的求解功能。ANSYS/Workbench相对于ANSYS经典版的优势在于:1）集成了很多主流三维软件（UG、Pr集成SO集dWor很等）的接口,采用它们创建好模型后可直接导入到WorkbenCh界面进行网格划分操作，缩短模型的修复时间，对于大型装配体的处理非常方便。2）网格处理比ANSYS经典版方便，通过MESH功能可以快速划分出高质量的网格，大大缩短了模型的网格划分时间。2有限元分析步骤球罐的有限元分析流程如图1所示，分别对球罐的球壳和支柱进行水压试验工况、设计工况以及地震工况进行分析计算；然后，对应力集中部位

6、进行应力线性化操作，判断计算得出的应力强度是否满足材料的许用应力强度5。图1球罐有限元分析流程具体操作步骤如下：D在SO1idWorkS中建立2OoOm3球罐模型的1/20。2）将模型导入到ANSYSZWorkbench的StaticStructure模块中。为了便于后期网格划分，在GeonIry中对模型进行“分块”操作，将模型分割成不同的BOdy。根据球罐对称变形的特点，在Geomry中圆周阵列所有Body形成球罐整体三维模型的12o3）在EngineeringData中设定材料参数，考虑到附件、雪荷载及腐蚀层等的重量，球壳当量密度为8770kgm3,其他材料密度为7850kgm3o4）在M

7、odeI中对模型进行全SWeeP操作，将模型快速划分成全六面体网格。设定球罐赤道带及其上支柱部分的网格尺寸为20mm,其他部位的网格尺寸为2000mm,划分网格后的球罐有限元模型如图2所示，其网格数521623、结点数795136,网格沿球壳厚度方向呈2层分布。图2球罐模型网格5）由于球罐的拉杆在分析计算过程中对球罐只产生拉的作用，不考虑拉杆对支柱的支撑作用。因此，在本模型中可采用Spring单元（纵向弹簧）代替拉杆作用在球罐的支柱之间，如图3所示。通过计算，弹簧的刚度为72600Nmo图3球罐拉杆模型6）施加水压试验工况下模型分析计算的荷载及边界条件。考虑模型的自重、在球壳内壁施加3.OMP

8、a的水压试验压力以及球壳充满水时的液柱静压力；最后，在模型的对称面上施加无摩擦约束、每根支柱的底板上施加3个方向的固定约束。7）依次求解出水压试验工况下模型中球壳以及支柱的第三强度应力。如图4所示，从球壳的应力分布云图中可以看出，球壳的第三强度应力最大值分布在球罐外表面支柱托板下部的位置。如图5所示，对该应力最大值处进行线性化6操作，球壳的一次局部薄膜应力强度SH=321.O1MPa、“一次薄膜+一次弯曲”应力强度SI1I=468.64MPa。如图6所示，从支柱应力分布云图中可以看出，支柱的第三强度应力最大值分布在支柱帽内表面与球壳连接的位置。如图7所示，对该应力最大值处进行线性化操作，支柱的

9、“一次薄膜+一次弯曲”应力强度SIII=498.21MPao该支柱下端轴向约束反力WT=2.1672X106N；径向约束反力为68064N；绕环向约束弯矩MT=2.164108Nmm。通过对球罐的水压试验工况进行有限元分析,根据图4-图7中的应力云图以及关键部位的应力线性化结果可以得出：球罐的支柱与球壳焊接部位应力水平较高，其建造过程中应严格控制组对、焊接、无损检测7及热处理的质量。图4水压试验工况球壳应力分布MPa壳体厚度mm-B-薄膜应力；-薄膜应力+弯曲应力。图5水压试验工况球壳应力线性化结果图7水压试验工况支柱应力线性化结果8)将模型的网格划分等前处理操作共享到设计荷载工况中，施加设计

10、荷载工况下模型分析计算的边界条件。考虑模型自重、在球壳内壁施加2.4MPa的设计压力以及球壳完成物料充装后的液柱静压力，最后，在模型的每根支柱的底板上施加3个方向的固定约束、对称面上施加无摩擦约束。9)依次求解出设计荷载工况下模型中球壳以及支柱的第三强度应力。如图8所示，从球壳的应力分布云图中可以看出，球壳的第三强度应力最大值分布在球罐外表面支柱U形托板下部的位置。如图9所示，对该应力最大值处进行线性化操作，球壳的一次局部薄膜应力强度SH二249.72MPa、“一次薄膜+一次弯曲”应力强度SIII=353.54MPa。如图10所示，从支柱的应力分布云图中可以看出，支柱的第三强度应力最大值分布在

11、支柱帽内表面与球壳连接的位置。如图11所示，对该应力最大值处进行线性化操作，支柱的“一次薄膜+一次弯曲”应力强度Sw=398.81MPao该支柱下端轴向约束反力WT=1I8004106N；径向约束反力为54038N；绕环向约束弯矩MT=15717108Nmmo图8设计工况球壳应力分布MPa壳体厚度mmF-薄膜应力;T1薄膜应力+弯曲应力。图9设计工况球壳应力线性化结果02468IO1214161820壳体厚度mm,薄膜应力；T1薄膜应力+弯曲应力。图10设计工况支柱应力分布MPa400350300250图11设计工况支柱应力线性化结果10）将模型的网格划分等前处理操作共享到地震荷载工况中，施加

12、地震作用工况下模型分析计算的边界条件。考虑模型自重、在球壳内壁施加2.4MPa的设计压力、球壳完成物料充装后的液柱静压力与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个方向的固定约束、对称面上施加无摩擦约束。11）依次求解出地震作用工况下模型中球壳以及支柱的第三强度应力。如图12所示，从球壳的应力分布云图中可以看出，球壳的第三强度应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。如图13所示，对该应力最大值处进行线性化操作，球壳的一次局部薄膜应力强度Sn=254.94MPa、“一次薄膜+一次弯曲”应力强度SIII=375.16MPa。如图14所示，从支柱

13、的应力分布云图中可以看出，支柱的第三强度应力最大值分布在震向前支柱帽内表面与球壳连接的位置。如图15所示，对该应力最大值处进行线性化操作，支柱的“一次薄膜+一次弯曲”应力强度Sn1=405.57MPao该支柱下端轴向约束反力WT=14318X106N；径向约束反力为93332N；绕环向约束弯矩MT=2.3446108Nmmo图12地震作用工况球壳应力分布MPaBd工/胡身3(x25(2(x150111111110510152025303540壳体厚度mm一薄膜应力；T1薄膜应力+弯曲应力。图13地震作用工况球壳应力线性化结果.41049273.66-136.830.001243I图14地震作用

14、工况支柱应力分布MPa4504003()024681()121416182()壳体厚度mm一薄膜应力；-薄膜应力+弯曲应力。图15地震作用工况支柱应力线性化结果3有限元结果评定根据压力容器分析设计标准JB4732-1995钢制压力容器一一分析设计标准（2005年确认）9,判断ANSYS/WOrkbenCh计算得出的球壳、支柱及拉杆在不同工况下的结果是否满足要求。3.1球壳及支柱强度校核D水压试验工况。水压试验工况应力评定见表3。表3水压试验工况应力评定位置组合应力强度计算值/MPa许用极限/MPa评定结果球壳S321.01476.3通过Sm468.64476.3通过支柱S498.21612.6通过位置组合应力强度计算值/MPa许用极限/MPa评定结果球壳SI1321.01476.3通过SIII468.64476.3通过支柱SIII498.21612.6通过2）设计工况。设计工况应力评定见表4。表4设计工况应力评定位置组合应力强度计算值/MPa许用极限/MPa评定结果球壳Sn249.72381通过S353.54381通过支柱S398.81490通过位置组合应力强度计算值/MPa许用极限/MPa评定结果球壳SII249.72381通过SIII353.54381通过支柱SIII398.81490通过3）地震作用工况。地震作用工况应力评定见表5。表5地震作用工况应