球罐支柱與球殼連接處強度的有限元分析

張北記 周浩（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

球罐支柱與球殼連接處強度的有限元分析

張北記 周浩（北京華福工程有限公司天津分公司，天津300222）

本文研究針對球罐支柱與球殼連接處的強度展開，綜合有限元網格處理難度較大的現狀，可采用有限元前后處理軟件（HyperMesh6.0）獲取高質量的結構模擬網格劃分。在相關的測試層面，符合有限元模型的分析軟件中ANSYS8.0應用較為廣泛且在模擬水壓工況中效果突出，同時結合當前我國在球罐支柱以及球殼方面的應力測試內容，電測法的數據也是有很好的參考價值的；通過建模及測量，計算結果表明了水壓試驗工況下測試對象球罐的最大應力點是支柱蓋板和球殼的連接位置，即殼體外壁部分。

球罐支柱；球殼連接；有限元分析，強度分析

球罐是重要的現代化生產存儲設備，結合我國現狀來說，在球罐設計的過程中往往傾向于常規的設計方法，對通用標準的執行過于嚴苛。設計者只考慮單一情況下的最大載荷工況，并在制造過程中按照一次最大加載能力處理；理論上說，這種極限許用應力的安全性很突出，并且所設定的安全系數也比較大，造成一定程度的大材小用，消耗過多的資源和成本。而采取分析設計的方法，對球罐部分鎖承受的應力進行分類、分析，并按照不同的強度等級進行整理，這樣可以在保障球罐安全的同時，減少由于內部介質壓力波動所造成的金屬疲勞；一般而言，利用分析設計法可以減少20%～30%的材料消耗，在球罐發展逐漸大型化的趨勢下，對企業成本節約具有重要意義。

1　軟件建模及網格質量綜述

在球罐應力分析中基于有限元分析的策略展開在國內是一種較為常見的方法，但由于需要進行劃分網格并建立有限元模型，因此工作量比其他方法更大，所需要考慮的因素也更多，依靠人工方式展開是不可取的；同時，網格形式對計算精確度和計算模式有直接的影響，因此脫離軟件工具來實現存在很大困難。

HyperMesh是一種功能強大的CAE應用軟件包，屬于有限元網格專業劃分工具。雖然與與主流的3D建模工具相比，其功能較少，但相應的在運行的過程中，由于HyperMesh屬于環境配置功能，使用的平臺較為廣泛，運行中所占資源較少，更重要的是針對限元網格劃分中有很好的支持，例如內部預設的一大批集合工具，不需要重新構建模型，而只需要整理所需要的數據以及口令，輸入集合模型之后就可以得到相應的合理劃分。

同時，HyperMesh支持3D和2D兩種形式，且在基于網格建模的表現中十分優秀，強大的自動網格劃分模塊可以為用戶提供一個智能的網格生成工具，同時也包括簡便的網格修改工具。

在球罐設計、支柱與球殼連接處強度分析中，網格劃分是一個必不可少的環節，再后期需要根據網格質量進行度量和評估。當前人們提出的根據或準則中，集合起來有以下幾種類型，包括單元邊比長、偏斜度、翹曲度等。

2　球罐支柱與球殼連接處的網格處理

以下筆者結合我廠丙烯球罐為研究對象，該球罐容量為2500立方米，結構采取的是對稱設計，再分析中針對殼體構建力學計算模型）。在該球罐進行網格處理中利用HyperMesh軟件展開，實體建模軟件采取了專業版ENGINEER Wildfire，殼體模型比例縮小至二十四分之一，支柱實體模型縮小二分之一；運用HyperMesh的自動網格功能覆蓋模型，形成單元格綜述為58079個，其中六面體單元包括了56744個，五面體單元包括了1335個，比例分別為97.7%和2.3%。

考慮到U形柱、支柱主體、連接板三個部分的結合點，以及支柱蓋板和球殼結合的位置呈現出結構復雜的現狀，運用HyperMesh進行網格定位劃分，可以重新獲得局部的有效數據；實踐證明，再網格劃分中的六面體網格單元計算精度更高、更有效，同時在同樣的數據精度要求下，六面體網格單元綜述相對更少，可以節約大量的計算時間。

3　強度的有限元模型驗證

一般會在現場通過施加水壓的方式驗證球罐結構的有限元模型，對于計算要求較高的情況，可以利用HyperMesh將模型中的單元導出，再導入到ANSYS軟件中，從而提高計算的能力，獲取更加完善的球殼和支柱連接部分應力分布信息；在應力測試中需要用到的工具包括測試布片、測試儀器、測試環境等都要事先準備，測試布片均為三向布片，測試儀器可以選擇萬能電阻應變儀以及PR～22電阻平衡向，其中電阻應變片可采用三相應變化，再測試過程中緩慢加壓，并測試各值，保持十五分鐘左右的穩定觀察時間。

根據相關文獻分析，支柱與球殼的連接點的內外主應力分別是259.0MPa、242.30MPa，與電測量法所取得的數據基本一致，驗證了有限元計算模型的科學性、可行性。事實上，采取有限元法以及HyperMesh6.0軟件進行建模分析以及網格劃分，已經成為我國在球罐工藝技術方面的發展趨勢，并可以得到較好的單元質量，計算精度較高，計算時間較少。同時，基于Hyper-Mesh6.0的網格劃分中，六面體相對于四面體的精度更高，同時劃分之后的單元數更少，是一種建模和劃分的技巧。

總之，積極展開球罐相關技術方面的研究，促進設備科學化、統一化、合理化，對我國的基礎工業發展具有重要意義。

［1］王永衛，范萬春，尹俠.球罐支柱與球殼連接處強度的有限元分析［J］.石油化工設備，2007，06：69～72.

［2］王智穎.球罐支柱與球殼連接處的應力分析［J］.科技創新導報，2013，24：13.

［3］蔣華云，程鵬，周學深，李力秀，張楠，李鳳舞.大型球罐支柱與球殼連接的新型結構［J］.油氣儲運，2013，06：608～610.

［4］李永泰，黃金國.球罐支柱型式及其與球殼連接的結構［J］.壓力容器，2003，10：28～33.

［5］王永衛，賀小華，尹俠.球罐支柱與球殼連接處的應力分析［C］.中國機械工程學會：，2005：4.