有限元方法在化工設(shè)備局部應(yīng)力計(jì)算中的應(yīng)用研究

鮑立偉

摘 要：在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的過(guò)程中，我們需要明確的是有限元方法的應(yīng)用能夠?yàn)榛ぞ植吭O(shè)備的計(jì)算提供便捷幫助，但在設(shè)計(jì)和檢修的整個(gè)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)遇到的有限元方法的計(jì)算問(wèn)題。導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大的情況下出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)超載的問(wèn)題，引起設(shè)備變形，同時(shí)也有可能受到交變載荷的影響，出現(xiàn)運(yùn)行疲勞遭到破壞。本文主要從幾個(gè)方面探討了有限元方法在化工設(shè)備局部應(yīng)力計(jì)算的具體應(yīng)用，通過(guò)數(shù)值計(jì)算法來(lái)進(jìn)行應(yīng)力的計(jì)算，并且通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典理論的計(jì)算分析。

關(guān)鍵詞：有限元方法；化工設(shè)備局部；應(yīng)力計(jì)算；應(yīng)用研究

常見(jiàn)的一些工程中，我們經(jīng)常遇到很多非標(biāo)準(zhǔn)的容器和化工設(shè)備出現(xiàn)使用疲勞的問(wèn)題，或者遭到嚴(yán)重的破壞，這就需要對(duì)外壓容器的具體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行明確，做好數(shù)值計(jì)算，應(yīng)力計(jì)算的重要性就在于，能夠分析出重要的設(shè)備結(jié)構(gòu)，做好應(yīng)力分類(lèi)，能夠結(jié)合計(jì)算結(jié)構(gòu)來(lái)制定出不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。工程的設(shè)計(jì)人員需要把握好設(shè)備的強(qiáng)度，保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的使用安全性，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，外壓容器的應(yīng)用需要保證設(shè)計(jì)方法的數(shù)值合理，這也是有限元方法應(yīng)用的主要原因。

1 有限元方法的數(shù)值計(jì)算

有限元法是國(guó)外提出的一種數(shù)值算法，主要是依據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)作為基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法存在的差別就在于，有限元算法所具有的物理實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)連續(xù)體用有限的單元進(jìn)行組合，逐漸將連續(xù)的分析類(lèi)型發(fā)展為單元性的分析。從有限元法的本質(zhì)上來(lái)看，有限元法所計(jì)算出的數(shù)值是近似值，所以通過(guò)解析式精確求解的運(yùn)用能夠?qū)τ?jì)算的準(zhǔn)確性提供補(bǔ)充，解析法的運(yùn)用從理論上來(lái)講具有著不可替代的應(yīng)用價(jià)值，能夠精確的體現(xiàn)出計(jì)算的特定條件。工程問(wèn)題一直具有著復(fù)雜性，想要實(shí)現(xiàn)理論求解，打破自身所存在的局限性，就需要尋找解決復(fù)雜問(wèn)題的方法，有限元法屬于信息技術(shù)發(fā)展所得到的仿真技術(shù)，能夠在計(jì)算機(jī)的利用過(guò)程中，通過(guò)有限元的計(jì)算軟件來(lái)模擬出工程問(wèn)題。有限元法具有應(yīng)用效果廣的情況，能夠?qū)^為復(fù)雜的設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究和實(shí)驗(yàn)。有限元的運(yùn)用能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元法能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案進(jìn)行先行規(guī)劃，這些方案的制定能夠做好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少人員設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備功能質(zhì)量的影響。有限元法還能夠提高設(shè)備的可靠性，從側(cè)面也能夠反映出不同變量之間所存在的連接關(guān)系，判斷不同變量所具有的重要性來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析。其數(shù)值計(jì)算方法主要有迭代法、以直代曲法、化整為零法及外推法等，其中較為常用的是迭代法，又稱(chēng)作逐次逼近法，此處以方程求根為例：

2 有限元計(jì)算模型

工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，殼體存在著不連續(xù)的應(yīng)力和局部應(yīng)力，想要實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備應(yīng)用效果的提升，需要對(duì)應(yīng)力集中的條件進(jìn)行詳細(xì)的分析和計(jì)算，針對(duì)這一設(shè)計(jì)內(nèi)容很多研發(fā)學(xué)者都做了詳細(xì)的研究工作，努力的尋求精確的計(jì)算解析方式，做到實(shí)驗(yàn)、數(shù)值的雙解。經(jīng)過(guò)不同程度的研究分析，有限元計(jì)算方法成為了容器設(shè)計(jì)的常用原則，化工設(shè)備具有著多樣性結(jié)構(gòu)的特性，以及非標(biāo)性的原則，需要以此來(lái)對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。有限元計(jì)算模型引用的主要設(shè)備有：錐殼變徑段的圓柱殼、中部連接接管，因?yàn)槠錁?gòu)成相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，所以只是通過(guò)解析法來(lái)解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，會(huì)讓數(shù)值計(jì)算的過(guò)程和準(zhǔn)確性受到限制，采用單元法來(lái)進(jìn)行結(jié)算，需要對(duì)連接的邊緣進(jìn)行詳細(xì)的分析，保證局部應(yīng)力和應(yīng)力集中的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性需要通過(guò)錐體變徑段來(lái)實(shí)現(xiàn)，做好接管部分的詳細(xì)研究，建立有限元計(jì)算模型。計(jì)算模型的制定和應(yīng)用需要結(jié)合實(shí)際，想要得到工程設(shè)備的提升，就需要優(yōu)化計(jì)算模型，引入錐體和接管焊縫來(lái)進(jìn)行模型內(nèi)涵的強(qiáng)化，有限元程序所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，讓不同結(jié)構(gòu)的殼體所具有的連接邊緣都出現(xiàn)了局部應(yīng)力較高的情況。我們要保證有限元計(jì)算模型中所具有的局部應(yīng)力強(qiáng)度和部位的局部應(yīng)力強(qiáng)度保持一致，并且整個(gè)結(jié)構(gòu)中所具有的最大應(yīng)力的強(qiáng)度需要與圓柱殼的連接邊緣相結(jié)合，在設(shè)備的計(jì)算過(guò)程中需要合理的單元模式建立，這是單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)試算價(jià)值，以此來(lái)提高數(shù)值計(jì)算的精準(zhǔn)度。有限元的計(jì)算，需要在單元庫(kù)中進(jìn)行的塊單元的選擇，通過(guò)合理的劃分來(lái)生成自動(dòng)化單元，根據(jù)沿壁的厚度來(lái)進(jìn)行不同層次劃分，同時(shí)對(duì)接管附近的應(yīng)力集中區(qū)域要進(jìn)行加密處理，這就是網(wǎng)格劃分模型。

3 有限元方法的應(yīng)用成效

殼體具有著一定的不連續(xù)性，這也讓殼體的應(yīng)力分析變得異常的復(fù)雜，從理論上進(jìn)行詳細(xì)的分析比較復(fù)雜的，實(shí)際工程中應(yīng)力計(jì)算十分重要，有限元方法的應(yīng)用能夠讓復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算變得簡(jiǎn)便，設(shè)備的有效性也能夠得到提升，讓工程的設(shè)計(jì)變得更加的可靠，以此來(lái)解決實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法進(jìn)行合理解決的問(wèn)題，為工程設(shè)備提供了更好的應(yīng)用途徑。在進(jìn)行理論解析和有限元計(jì)算的過(guò)程中，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析，從而得到計(jì)算數(shù)值的準(zhǔn)確性，有限元計(jì)算模型的建立能夠合理的對(duì)邊界條件進(jìn)行處理，保證單元的選擇和網(wǎng)格的詳細(xì)劃分都處在最佳的精度。在進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，可以結(jié)合當(dāng)前的設(shè)計(jì)形式和精度來(lái)對(duì)基本的設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，讓整個(gè)設(shè)備的運(yùn)用變得更加的合理化，從而保證設(shè)備的結(jié)構(gòu)在一定時(shí)期的應(yīng)用下，不會(huì)發(fā)生效果不佳的情況。通過(guò)對(duì)分析設(shè)計(jì)思想的評(píng)定和分析，能夠滿(mǎn)足應(yīng)力區(qū)域的強(qiáng)度需求，三維化的有限元計(jì)算能夠給出不同的應(yīng)用數(shù)值，得到應(yīng)力和峰值的總應(yīng)力場(chǎng)，并且能夠從總應(yīng)力場(chǎng)中得出不同的應(yīng)力，設(shè)計(jì)思想和分析強(qiáng)度的評(píng)定十分關(guān)鍵，這也是解決計(jì)算中的難點(diǎn)的重要方式，對(duì)數(shù)值和實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)。

4 總結(jié)

局部應(yīng)力的研究和分析需要計(jì)算，孔邊的應(yīng)力集中、數(shù)據(jù)值的計(jì)算方法等都是重要的理論基礎(chǔ)，通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)的證明來(lái)對(duì)局部的應(yīng)力進(jìn)行研究，利用算例來(lái)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，了解設(shè)備的整體使用結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計(jì)模式來(lái)對(duì)局部應(yīng)力的參數(shù)化進(jìn)行分析等。全文將壓力容器局部所具有的應(yīng)力作為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)有限的元素法來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并且通過(guò)應(yīng)力分類(lèi)法的運(yùn)用來(lái)對(duì)設(shè)備的局部應(yīng)力情況進(jìn)行具體的分析和評(píng)定，在實(shí)際計(jì)算中數(shù)值分析法和算例結(jié)果分析法都能夠取得良好的應(yīng)用效果。

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