有限元方法在化工設備局部應力計算中的應用研究

鮑立偉

摘 要：在進行應力計算的過程中，我們需要明確的是有限元方法的應用能夠為化工局部設備的計算提供便捷幫助，但在設計和檢修的整個過程中設計人員經常會遇到的有限元方法的計算問題。導致局部應力過大的情況下出現(xiàn)局部結構超載的問題，引起設備變形，同時也有可能受到交變載荷的影響，出現(xiàn)運行疲勞遭到破壞。本文主要從幾個方面探討了有限元方法在化工設備局部應力計算的具體應用，通過數(shù)值計算法來進行應力的計算，并且通過對設計內容的分析來實現(xiàn)對經典理論的計算分析。

關鍵詞：有限元方法；化工設備局部；應力計算；應用研究

常見的一些工程中，我們經常遇到很多非標準的容器和化工設備出現(xiàn)使用疲勞的問題，或者遭到嚴重的破壞，這就需要對外壓容器的具體設計方法進行明確，做好數(shù)值計算，應力計算的重要性就在于，能夠分析出重要的設備結構，做好應力分類，能夠結合計算結構來制定出不同的設計準則。工程的設計人員需要把握好設備的強度，保證設計結構的使用安全性，創(chuàng)造更多的經濟價值，外壓容器的應用需要保證設計方法的數(shù)值合理，這也是有限元方法應用的主要原因。

1 有限元方法的數(shù)值計算

有限元法是國外提出的一種數(shù)值算法，主要是依據(jù)信息技術的發(fā)展，通過計算機來作為基礎，與傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法存在的差別就在于，有限元算法所具有的物理實質就是將一個連續(xù)體用有限的單元進行組合，逐漸將連續(xù)的分析類型發(fā)展為單元性的分析。從有限元法的本質上來看，有限元法所計算出的數(shù)值是近似值，所以通過解析式精確求解的運用能夠對計算的準確性提供補充，解析法的運用從理論上來講具有著不可替代的應用價值，能夠精確的體現(xiàn)出計算的特定條件。工程問題一直具有著復雜性，想要實現(xiàn)理論求解，打破自身所存在的局限性，就需要尋找解決復雜問題的方法，有限元法屬于信息技術發(fā)展所得到的仿真技術，能夠在計算機的利用過程中，通過有限元的計算軟件來模擬出工程問題。有限元法具有應用效果廣的情況，能夠對較為復雜的設備內部系統(tǒng)進行深入的研究和實驗。有限元的運用能夠實現(xiàn)產品的優(yōu)化設計，通過計算機有限元法能夠對設計方案進行先行規(guī)劃，這些方案的制定能夠做好系統(tǒng)結構的優(yōu)化，減少人員設計對設備功能質量的影響。有限元法還能夠提高設備的可靠性，從側面也能夠反映出不同變量之間所存在的連接關系，判斷不同變量所具有的重要性來對整個系統(tǒng)進行詳細的分析。其數(shù)值計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，又稱作逐次逼近法，此處以方程求根為例：

2 有限元計算模型

工程設計的過程中，殼體存在著不連續(xù)的應力和局部應力，想要實現(xiàn)工程設備應用效果的提升，需要對應力集中的條件進行詳細的分析和計算，針對這一設計內容很多研發(fā)學者都做了詳細的研究工作，努力的尋求精確的計算解析方式，做到實驗、數(shù)值的雙解。經過不同程度的研究分析，有限元計算方法成為了容器設計的常用原則，化工設備具有著多樣性結構的特性，以及非標性的原則，需要以此來對殼體的結構進行詳細分析。有限元計算模型引用的主要設備有：錐殼變徑段的圓柱殼、中部連接接管，因為其構成相對來說比較復雜，所以只是通過解析法來解決可能出現(xiàn)的問題，會讓數(shù)值計算的過程和準確性受到限制，采用單元法來進行結算，需要對連接的邊緣進行詳細的分析，保證局部應力和應力集中的實現(xiàn)，同時結構的對稱性需要通過錐體變徑段來實現(xiàn)，做好接管部分的詳細研究，建立有限元計算模型。計算模型的制定和應用需要結合實際，想要得到工程設備的提升，就需要優(yōu)化計算模型，引入錐體和接管焊縫來進行模型內涵的強化，有限元程序所計算出來的結果，讓不同結構的殼體所具有的連接邊緣都出現(xiàn)了局部應力較高的情況。我們要保證有限元計算模型中所具有的局部應力強度和部位的局部應力強度保持一致，并且整個結構中所具有的最大應力的強度需要與圓柱殼的連接邊緣相結合，在設備的計算過程中需要合理的單元模式建立，這是單元劃分的基礎試算價值，以此來提高數(shù)值計算的精準度。有限元的計算，需要在單元庫中進行的塊單元的選擇，通過合理的劃分來生成自動化單元，根據(jù)沿壁的厚度來進行不同層次劃分，同時對接管附近的應力集中區(qū)域要進行加密處理，這就是網格劃分模型。

3 有限元方法的應用成效

殼體具有著一定的不連續(xù)性，這也讓殼體的應力分析變得異常的復雜，從理論上進行詳細的分析比較復雜的，實際工程中應力計算十分重要，有限元方法的應用能夠讓復雜的結構應力計算變得簡便，設備的有效性也能夠得到提升，讓工程的設計變得更加的可靠，以此來解決實際應用中無法進行合理解決的問題，為工程設備提供了更好的應用途徑。在進行理論解析和有限元計算的過程中，需要對結果進行詳細的對比分析，從而得到計算數(shù)值的準確性，有限元計算模型的建立能夠合理的對邊界條件進行處理，保證單元的選擇和網格的詳細劃分都處在最佳的精度。在進行設備結構的設計分析過程中，可以結合當前的設計形式和精度來對基本的設備強度進行評定，讓整個設備的運用變得更加的合理化，從而保證設備的結構在一定時期的應用下，不會發(fā)生效果不佳的情況。通過對分析設計思想的評定和分析，能夠滿足應力區(qū)域的強度需求，三維化的有限元計算能夠給出不同的應用數(shù)值，得到應力和峰值的總應力場，并且能夠從總應力場中得出不同的應力，設計思想和分析強度的評定十分關鍵，這也是解決計算中的難點的重要方式，對數(shù)值和實驗記錄進行應力分類。

4 總結

局部應力的研究和分析需要計算，孔邊的應力集中、數(shù)據(jù)值的計算方法等都是重要的理論基礎，通過理論和實驗的證明來對局部的應力進行研究，利用算例來對分析結果進行總結，了解設備的整體使用結構，結合設計模式來對局部應力的參數(shù)化進行分析等。全文將壓力容器局部所具有的應力作為出發(fā)點，通過有限的元素法來進行分析設計，并且通過應力分類法的運用來對設備的局部應力情況進行具體的分析和評定，在實際計算中數(shù)值分析法和算例結果分析法都能夠取得良好的應用效果。

參考文獻：

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