基于ANSYS的天圓地方接口有限元分析

焦培訓(xùn)，王太茂，王博錄

(1.山東琦泉集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250023；2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250023)

基于ANSYS的天圓地方接口有限元分析

焦培訓(xùn)1，王太茂2，王博錄2

(1.山東琦泉集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250023；2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250023)

為了驗(yàn)證除濕設(shè)備天圓地方接口結(jié)構(gòu)布置的合理性，基于ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型，對接口模型進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)布置滿足安全生產(chǎn)需要。為了節(jié)約成本，結(jié)合模擬結(jié)果對接口的平面框架結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案，通過ANSYS有限元分析對優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：優(yōu)化方案在改善受力狀況的同時，節(jié)省了材料用量，達(dá)到了節(jié)約成本的目的。

天圓地方；ANSYS；有限元；應(yīng)力分析

某化工企業(yè)需要將除濕設(shè)備出口設(shè)計(jì)為天圓地方結(jié)構(gòu)。其壁板和平面框架所需材料均為碳鋼(Q235B)，因方口跨度大，圓口直徑大，并且承受650 kN靜荷載，因此需要計(jì)算其應(yīng)力狀態(tài)。本文應(yīng)用ANSYS軟件，分析天圓地方接口的應(yīng)力分布，并對平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 有限元分析

1.1 模型幾何結(jié)構(gòu)

選取某化工企業(yè)除濕設(shè)備使用的天圓地方結(jié)構(gòu)為研究對象，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖中長度單位m)。模型由4個平面壁板、4個曲面壁板、1個筒體壁板、4個平面框架、4個曲面框架、1個筒頂環(huán)形梁組成。平面框架結(jié)構(gòu)布置見圖2，其中①為槽鋼[16，②為工字鋼I300×150×6.5，③為角鋼L100×100×8；曲面框架由角鋼L100×100×8組成；筒頂環(huán)形梁由槽鋼[14構(gòu)成。主體結(jié)構(gòu)為上圓下方布置，下部方口整體支撐在一圈支撐梁上。具體結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)圖 圖2 平面框架結(jié)構(gòu)布置圖

長度(x向)/m寬度(y向)/m高度(z向)/m壁厚/mm18.417.53.46

1.2 計(jì)算模型

本文采用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo、Alogor、AutoCAD、Solidworks等軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級CAE工具之一[1]。CAE的技術(shù)種類有很多，包括有限元法、邊界元法、有限差分法等，每一種方法各有其應(yīng)用領(lǐng)域，其中有限元法應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)等[2-4]。ANSYS軟件主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊、后處理模塊3部分。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具；分析計(jì)算模塊可模擬多種物質(zhì)介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量等圖形方式顯示，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出[5]。

本文使用Solidworks機(jī)械設(shè)計(jì)軟件代替ANSYS軟件中的前處理模塊，以1:1的比例對天圓地方結(jié)構(gòu)建立實(shí)體模型，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。選用單元類型為三維八節(jié)點(diǎn)六面體結(jié)構(gòu)固體單元(solid185)，該類型單元每個節(jié)點(diǎn)包含3個自由度，能合理模擬鋼的應(yīng)變和變形，準(zhǔn)確描述模型的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 模型網(wǎng)格圖

為了計(jì)算方便快捷，所有焊縫均未單獨(dú)考慮，并將天圓地方接口與其支撐結(jié)構(gòu)視為一個整體進(jìn)行建模[6]。將整個模型結(jié)構(gòu)劃分為相同大小的單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)分別為60 400和34 055，如圖3所示(圖中長度單位為m)。

1.3 模型計(jì)算參數(shù)

該結(jié)構(gòu)內(nèi)部煙氣壓力為-2～5 kPa，工作溫度為常溫。上部圓口承受外部靜載為650 kN。為便于計(jì)算分析，假設(shè)該結(jié)構(gòu)未發(fā)生塑性變形，即材料的應(yīng)力和應(yīng)變呈線性相關(guān)。碳鋼Q235B的材料力學(xué)性能參數(shù)為：彈性模量E=206.0 GPa，泊松比μ=0.29[7]，常溫(20 ℃)下材料的屈服極限σs=235 MPa，許用應(yīng)力[σ]=160 MPa[8]。該結(jié)構(gòu)上部圓口連接膨脹節(jié)，可視為自由端，下部方口支撐在一圈鋼架梁上，可視為約束端[9]，故模型計(jì)算時僅對方口下邊緣施加了固定約束。

2 天圓地方接口模型計(jì)算分析

表2 4種工況計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

運(yùn)用ANSYS有限元軟件分析接口模型在不同內(nèi)壓和外載工況下的應(yīng)力變化規(guī)律。在其他條件和參數(shù)不變的情況下，本文工況分為以下4種：①內(nèi)壓-2 kPa,無外載；②內(nèi)壓-2 kPa,外載650 kN；③內(nèi)壓+5 kPa,無外載；④內(nèi)壓+5 kPa,外載650 kN。

一般材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，以流動形式破壞時，材料表現(xiàn)為屈服失效，可用第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論進(jìn)行解釋[10]。ANSYS有限元軟件采用von mises屈服準(zhǔn)則對實(shí)體模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，模擬計(jì)算結(jié)果可提供模型受外力作用時的第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、應(yīng)力強(qiáng)度(stress intensity)和等效應(yīng)力(von mises stress)，其中應(yīng)力強(qiáng)度和等效應(yīng)力分別遵循第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論[11-13]。結(jié)合焊接三通的安全性和持久性，本文選用von mises stress理論計(jì)算結(jié)果對焊接三通應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析[14]。對4種工況分別進(jìn)行計(jì)算，得出各工況下結(jié)構(gòu)模型的最大應(yīng)力和最大變形(見表2)。4種工況下模型的應(yīng)力分布及變形規(guī)律如圖4、5所示(圖4中單位MPa，圖5中單位為mm)。由于在平面壁板、曲面壁板和筒體壁板的結(jié)合位置發(fā)生了外部形狀突變，此部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在靜載作用下，用塑性材料制成的部件可以不考慮應(yīng)力集中的影響[15]。

圖4 4種工況下模型應(yīng)力分布云圖

圖5 4種工況下模型變形規(guī)律云圖

由圖4、5可知：1)在內(nèi)壓不同的情況下，650 kN外部靜載會引起結(jié)構(gòu)模型最大應(yīng)力的變化，但不會影響結(jié)構(gòu)模型的最大變形，且應(yīng)力分布規(guī)律也無明顯變化。2)在其他條件不變的情況下，結(jié)構(gòu)模型在內(nèi)壓-2 kPa環(huán)境中工作時的應(yīng)力比+5 kPa時要小，變形量也小，因此，該模型長期在-2 kPa內(nèi)壓的工作狀態(tài)要優(yōu)于+5 kPa。3)最大變形量梁長度為6 m，則其允許撓度[U]=17 mm[16]。在忽略應(yīng)力集中現(xiàn)象的前提下，模型的最大應(yīng)力σ<[σ]，最大變形U<[U]，因此在以上工況下，該模型結(jié)構(gòu)能滿足安全生產(chǎn)的需要。4)由上述模擬結(jié)果看出，平面壁板比曲面壁板和筒體壁板更容易發(fā)生變形，且曲面壁板和筒體壁板變形相對很小。因此，在平面壁板上做平面框架是很有必要的?？紤]到煙氣腐蝕等因素[17]，天圓地方鋼板厚度為6 mm，不允許減薄，若要減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，節(jié)省成本，可對平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 平面框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 平面框架優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)布置圖

通過上述計(jì)算結(jié)果得出，天圓地方結(jié)構(gòu)平面部分的中間位置變形和應(yīng)力最大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，變形小的部位應(yīng)適當(dāng)減小框架梁的截面[18]，在結(jié)構(gòu)變形大的部位適當(dāng)增大框架梁的截面[19]。綜上所述，本文提出以下具體優(yōu)化措施：框架梁間距不變(便于做保溫)[20-22]，改變部分框架梁的截面。減小框架梁的截面，角鋼L100×100×8代替部分槽鋼[16；增大框架梁的截面，豎向工字鋼I300×150×6.5代替槽鋼[16，見圖6(圖中①為槽鋼[16，②為工字鋼I300×150×6.5，③為角鋼L100×100×8)。取以上4種工況中的最不利工況(內(nèi)壓+5 kPa，外載650 kN)作為研究條件進(jìn)行模擬計(jì)算，見圖7(圖7a)中應(yīng)力單位為MPa)。

圖7 優(yōu)化方案模擬結(jié)果云圖

方案最大應(yīng)力/MPa最大變形/mm初步15610.5優(yōu)化1337.9

通過模擬得出兩種方案在最不利工況下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大變形如表3所示。初步方案中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為156 MPa，最大變形量為10.5 mm。優(yōu)化方案中結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為133 MPa，最大變形為7.9 mm?？梢妰?yōu)化方案不僅改善了平面框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，并且也減小了變形。經(jīng)過計(jì)算，優(yōu)化后整個平面框架的總質(zhì)量由7 291 kg降為6 405 kg。優(yōu)化方案減少用料后，不僅沒有影響天圓地方接口的工作狀態(tài)，其受力和變形狀況得到了極大改善。因此，在以后的工程中可以采用優(yōu)化后的方案。

4 結(jié)語

1)利用ANSYS有限元軟件對天圓地方接口進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的平面壁板位置最容易發(fā)生變形，是設(shè)計(jì)中必須要重視的一個環(huán)節(jié)，必須在該位置做適當(dāng)?shù)钠矫婵蚣芤詼p小其變形。

2)天圓地方結(jié)構(gòu)容易在平面和曲面結(jié)合的地方發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，在生產(chǎn)過程中，要盡量做到二者結(jié)合位置的圓滑過渡，減輕甚至消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)平面框架的優(yōu)化方案節(jié)省材料、降低成本、改善了天圓地方接口的受力和變形狀況，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、安全雙重效果，因此優(yōu)化方案可替代初步方案。

[1]張朝暉.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]凌桂龍，丁金斌.ANSYS 從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[3]杜壯，王文娜.基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁三維有限元分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2016，5(16):325-326. DU Zhuang，WANG Wenna. Finite element analysis for girder of bridged crane based on ANSYS[J] .Modern Business Trade Industry，2016，5(16):325-326.

[4]鄭培，王悅民.集裝箱起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真[J].上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24(4):294-299. ZHENG Pei，WANG Yuemin. Numerical simulation for mental frame of container-crane[J].Journal of Shanghai Maritime College，2003，24(4):294-299.

[5]段進(jìn)，倪棟.ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門到精通[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

[6]鄧宏光，白天翔.基于有限元分析的單梁橋式起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，4(2):46-48. DENG Hongguang，BAI Tianxiang. Optimized and designed for girder of bridged crane based on finite element analysis[J].Steel Structure，2009，4(2):46-48.

[7]北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017—2003[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[8]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.水管鍋爐：GB/T16507—2013[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

[9]李拔周，徐長生.基于ANSYS的龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008，8(3):12-14. LI Bazhou，XU Changsheng. Finite element analysis for gantry crane based on ANSYS[J].Hoisting and Conveying Machinery，2008，8(3):12-14.

[10]劉鴻文.材料力學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2011.

[11]王長利.焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005. WANG Changli.Numerical simulation for welding temperature field and stress field[D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2005.

[12]李冬林.焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2003. LI Donglin. Numerical simulation study for welding stress and deformation[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2003.

[13]蔣孝煜.有限元基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.

[14]周豐.基于ANSYS的梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析[J].裝備制造技術(shù)，2010，12(10)：35-42. ZHOU Feng.Stress analysis for beam structure based on ANSYS[J].Equipment Manufacturing Technology，2010，12(10)：35-42.

[15]張麗娟.基于ANSYS的平面應(yīng)力分析[J].青海民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，5(4):63-68. ZHANG Lijuan. Stress analysis for plane based on ANSYS[J].Journal of Qinghai University for Nationalities，2011，5(4):63-68.

[16]賈敏.基于ANSYS的盲板應(yīng)力分析研究[D].撫順：遼寧石油化工大學(xué)，2011. JIA Min. Stress analysis study for blind plate based on ANSYS[D].Fushun：Liaoning Shihua University，2011.

[17]張海濱.機(jī)械臂有限元應(yīng)力分析[D].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009. ZHANG Haibin. Finite element stress analysis for mechanical arm[D].Beijing：University of Science and Technology of China，2009.

[18]曹海兵，江楠.大型厚度等徑焊接三通應(yīng)力的有限元分析[J].化工機(jī)械，2008，35(4)：216-219. CAO Haibing，JIANG Nan. Finite element stress analysis for equal diameter welding thress pass[J].Chemical Machianry，2008，35(4)：216-219.

[19]何育青.空間薄壁鋼結(jié)構(gòu)有限元分析及程序模擬[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2007. HE Yuqing. Finite element analysis and process simulation for space thin-walled steel structure[D].Baotou：University of Science and Technology of the Inner Mongol，2007.

[20]熊永華，陳思作.薄壁鋼管殘余應(yīng)力有限元分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2004，31(11):305-312. XIONG Yonghua，CHEN Sizuo. Finite element analysis for residual stress of thin-walled steel tube[J].Building Technology Development，2004，31(11):305-312.

[21]李之光，梁耀東.工業(yè)鍋爐現(xiàn)代設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[22]李睿智，何箭，李亮，等.Ansys分析在鋼管端檢測中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，33(9)：1363-1365. LI Ruizhi,HE Jian,LI Liang,et al.Application of Ansys analysis to steel tube head detection[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2010,33(9):1363-1365.

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

Finite Element Analysis for Circular-to-Square Interface Based on ANSYS

JIAOPeixun1,WANGTaimao2,WANGBolu2

(1.ShandongQiquanGroupCo.，Ltd.,Jinan250023,China；2.JinanBoilerGroupCo.，Ltd.,Jinan250023,China)

In order to verify the distribution regularity of the circular-to-square interface of the dehumidification equipment, the finite element model is established based on the ANSYS software to analyze its stress and deformation. The result shows that the structural arrangement meets the requirements of the production safety. For the purpose of the cost-saving, this paper presents the optimized scheme of the plane frame structure of the interface in combination with the simulation results and its calculation through the ANSYS finite element analysis. The results show that in the improved stress conditions the optimized scheme saves the materials and reaches the goal of cost-saving.

circular-to-square；ANSYS；finite element；stress analysis

2016-12-12

焦培訓(xùn)(1969—)，男，山東平陰人，工程師，主要研究方向?yàn)殄仩t及汽機(jī)運(yùn)行，E-mail：891066615@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.014

TH123.4

A

1672-0032(2017)01-0082-06