基于ANSYS的天圓地方接口有限元分析

焦培訓，王太茂，王博錄

(1.山東琦泉集團有限公司，山東濟南 250023；2.濟南鍋爐集團有限公司，山東濟南 250023)

基于ANSYS的天圓地方接口有限元分析

焦培訓1，王太茂2，王博錄2

(1.山東琦泉集團有限公司，山東濟南 250023；2.濟南鍋爐集團有限公司，山東濟南 250023)

為了驗證除濕設備天圓地方接口結構布置的合理性，基于ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型，對接口模型進行應力和變形分析，結果表明結構布置滿足安全生產需要。為了節約成本，結合模擬結果對接口的平面框架結構提出優化方案，通過ANSYS有限元分析對優化方案進行計算。結果表明：優化方案在改善受力狀況的同時，節省了材料用量，達到了節約成本的目的。

天圓地方；ANSYS；有限元；應力分析

某化工企業需要將除濕設備出口設計為天圓地方結構。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，因此需要計算其應力狀態。本文應用ANSYS軟件，分析天圓地方接口的應力分布，并對平面框架結構進行優化。

1 有限元分析

1.1 模型幾何結構

選取某化工企業除濕設備使用的天圓地方結構為研究對象，幾何結構如圖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個筒頂環形梁組成。平面框架結構布置見圖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；筒頂環形梁由槽鋼[14構成。主體結構為上圓下方布置，下部方口整體支撐在一圈支撐梁上。具體結構尺寸如表1所示。

圖1 幾何結構圖 圖2 平面框架結構布置圖

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

1.2 計算模型

本文采用ANSYS軟件對結構進行數值模擬。ANSYS軟件是融結構、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CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Creo、Alogor、AutoCAD、Solidworks等軟件，是現代產品設計中高級CAE工具之一[1]。CAE的技術種類有很多，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用領域，其中有限元法應用領域越來越廣，已應用于結構力學、結構動力學、熱力學、流體力學、電路學等[2-4]。ANSYS軟件主要包括前處理模塊、分析計算模塊、后處理模塊3部分。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具；分析計算模塊可模擬多種物質介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線、梯度、矢量等圖形方式顯示，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出[5]。

本文使用Solidworks機械設計軟件代替ANSYS軟件中的前處理模塊，以1:1的比例對天圓地方結構建立實體模型，然后將實體模型導入到ANSYS模擬軟件進行數值計算。選用單元類型為三維八節點六面體結構固體單元(solid185)，該類型單元每個節點包含3個自由度，能合理模擬鋼的應變和變形，準確描述模型的應力分布規律。

圖3 模型網格圖

為了計算方便快捷，所有焊縫均未單獨考慮，并將天圓地方接口與其支撐結構視為一個整體進行建模[6]。將整個模型結構劃分為相同大小的單元，節點數和單元數分別為60 400和34 055，如圖3所示(圖中長度單位為m)。

1.3 模型計算參數

該結構內部煙氣壓力為-2～5 kPa，工作溫度為常溫。上部圓口承受外部靜載為650 kN。為便于計算分析，假設該結構未發生塑性變形，即材料的應力和應變呈線性相關。碳鋼Q235B的材料力學性能參數為：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，許用應力[σ]=160 MPa[8]。該結構上部圓口連接膨脹節，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算分析

表2 4種工況計算結果統計

運用ANSYS有限元軟件分析接口模型在不同內壓和外載工況下的應力變化規律。在其他條件和參數不變的情況下，本文工況分為以下4種：①內壓-2 kPa,無外載；②內壓-2 kPa,外載650 kN；③內壓+5 kPa,無外載；④內壓+5 kPa,外載650 kN。

一般材料在外力作用下產生塑性變形，以流動形式破壞時，材料表現為屈服失效，可用第三強度理論和第四強度理論進行解釋[10]。ANSYS有限元軟件采用von mises屈服準則對實體模型進行數值計算模擬，模擬計算結果可提供模型受外力作用時的第一主應力、第二主應力、第三主應力、應力強度(stress intensity)和等效應力(von mises stress)，其中應力強度和等效應力分別遵循第三強度理論和第四強度理論[11-13]。結合焊接三通的安全性和持久性，本文選用von mises stress理論計算結果對焊接三通應力分布情況進行分析[14]。對4種工況分別進行計算，得出各工況下結構模型的最大應力和最大變形(見表2)。4種工況下模型的應力分布及變形規律如圖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合位置發生了外部形狀突變，此部位出現應力集中現象。在靜載作用下，用塑性材料制成的部件可以不考慮應力集中的影響[15]。

圖4 4種工況下模型應力分布云圖

圖5 4種工況下模型變形規律云圖

由圖4、5可知：1)在內壓不同的情況下，650 kN外部靜載會引起結構模型最大應力的變化，但不會影響結構模型的最大變形，且應力分布規律也無明顯變化。2)在其他條件不變的情況下，結構模型在內壓-2 kPa環境中工作時的應力比+5 kPa時要小，變形量也小，因此，該模型長期在-2 kPa內壓的工作狀態要優于+5 kPa。3)最大變形量梁長度為6 m，則其允許撓度[U]=17 mm[16]。在忽略應力集中現象的前提下，模型的最大應力σ<[σ]，最大變形U<[U]，因此在以上工況下，該模型結構能滿足安全生產的需要。4)由上述模擬結果看出，平面壁板比曲面壁板和筒體壁板更容易發生變形，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。考慮到煙氣腐蝕等因素[17]，天圓地方鋼板厚度為6 mm，不允許減薄，若要減輕結構質量，節省成本，可對平面框架結構進行優化。

3 平面框架結構優化

圖6 平面框架優化方案結構布置圖

通過上述計算結果得出，天圓地方結構平面部分的中間位置變形和應力最大。根據經驗，變形小的部位應適當減小框架梁的截面[18]，在結構變形大的部位適當增大框架梁的截面[19]。綜上所述，本文提出以下具體優化措施：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(內壓+5 kPa，外載650 kN)作為研究條件進行模擬計算，見圖7(圖7a)中應力單位為MPa)。

圖7 優化方案模擬結果云圖

方案最大應力/MPa最大變形/mm初步15610.5優化1337.9

通過模擬得出兩種方案在最不利工況下結構的最大應力和最大變形如表3所示。初步方案中結構的最大應力為156 MPa，最大變形量為10.5 mm。優化方案中結構的最大應力為133 MPa，最大變形為7.9 mm。可見優化方案不僅改善了平面框架結構的應力狀態，并且也減小了變形。經過計算，優化后整個平面框架的總質量由7 291 kg降為6 405 kg。優化方案減少用料后，不僅沒有影響天圓地方接口的工作狀態，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化后的方案。

4 結語

1)利用ANSYS有限元軟件對天圓地方接口進行應力分析，發現該結構的平面壁板位置最容易發生變形，是設計中必須要重視的一個環節，必須在該位置做適當的平面框架以減小其變形。

2)天圓地方結構容易在平面和曲面結合的地方發生應力集中現象，因此，在生產過程中，要盡量做到二者結合位置的圓滑過渡，減輕甚至消除應力集中現象。

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

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(責任編輯：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(1969—)，男，山東平陰人，工程師，主要研究方向為鍋爐及汽機運行，E-mail：891066615@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.014

TH123.4

A

1672-0032(2017)01-0082-06