CAE技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用

＊蘇澤輝 杜宏娥

（1.蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司 甘肅 730314 2.甘肅衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院 甘肅 730030）

CAE 分析技術(shù)普遍使用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、流場分析等領(lǐng)域，是目前世界范圍內(nèi)比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，具有直觀、可靠、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)受到廣泛的應(yīng)用。化工園區(qū)工程實(shí)踐過程中，有較多的工程施工需要快速進(jìn)行構(gòu)件選型，但工程施工人員結(jié)構(gòu)選型較為隨意，常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)件選擇，對(duì)結(jié)構(gòu)件在應(yīng)用場合中的安全系數(shù)、變形大小沒有進(jìn)行計(jì)算，因此在工程實(shí)踐中存在一些由于盲目選型造成材料浪費(fèi)的現(xiàn)象，或者由于強(qiáng)度、剛度不足引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)快速采用CAE 技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用進(jìn)行分析，把握結(jié)構(gòu)使用場合中構(gòu)件強(qiáng)度、剛度等安全范圍，達(dá)到降本增效、安全施工的目的。本文結(jié)合某化工園區(qū)兩個(gè)案例引導(dǎo)工程實(shí)踐人員在工程施工中引入CAE 分析技術(shù)，掌握CAE 分析技術(shù)在工程實(shí)踐中的方法和應(yīng)用。

1.案例分析

(1)案例背景

CAE 分析技術(shù)在工程實(shí)踐中可以快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度等的分析，快速掌握結(jié)構(gòu)件在應(yīng)用場合的應(yīng)力、變形大小，使結(jié)構(gòu)件處在安全有效的彈性變形階段內(nèi)。

蘭州新區(qū)化工園區(qū)某企業(yè)在工程應(yīng)用中需要在車間搭建一個(gè)支撐架，將底部重量為0.8 t 的進(jìn)口水泵吊取出來，根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有材料進(jìn)行架子快速搭建。施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行搭建，然后隨即進(jìn)行吊取作業(yè)，一旦在吊裝作業(yè)中架子發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)口水泵嚴(yán)重?fù)p壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員受傷。

(2)案例流程

根據(jù)現(xiàn)場施工人員的設(shè)想和現(xiàn)場現(xiàn)有材料，快速建模，主要由橫梁、立柱、三角支撐結(jié)構(gòu)等組成，在Solidworks 中進(jìn)行三維建模，如圖1 所示為支撐架三維模型。

圖1 支撐架三維模型裝配圖

建立好的三維模型導(dǎo)出stp 格式，將導(dǎo)出的stp格式導(dǎo)入Workbench 中靜力學(xué)模塊進(jìn)行分析，根據(jù)模型特征進(jìn)行簡化，簡化模型對(duì)力學(xué)性能沒有影響的小特征，對(duì)小圓角、小倒角進(jìn)行簡化，對(duì)結(jié)構(gòu)特征不是很規(guī)則的模型采用四面體網(wǎng)格劃分方法，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性劃分。

圖2 為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，等效應(yīng)力變化如圖所示，可以看到當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)倍數(shù)增長時(shí)，等效應(yīng)力變化范圍較小，因此以該網(wǎng)格尺寸劃分是合適的。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證圖

表1 中為使用的材料參數(shù)性能，其中彈性模量為202 GPa、206 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，屈服強(qiáng)度分別為235 MPa，345 MPa。

表1 材料參數(shù)

對(duì)支撐架進(jìn)行邊界條件的施加，支撐架在實(shí)際應(yīng)用時(shí)固定兩邊兩個(gè)支架，中間采用導(dǎo)鏈提升泵，泵質(zhì)量為800 kg，根據(jù)上述邊界條件對(duì)支撐架施加邊界條件。

根據(jù)上述邊界條件，設(shè)置合理的載荷布進(jìn)行求解計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取，圖3 為支撐架、水箱計(jì)算結(jié)果。

圖3 邊界條件施加圖

圖4 為支撐架等效應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出最大等效應(yīng)力為33.93 MPa，最大應(yīng)力位于導(dǎo)鏈放置部位中間位置。

圖4 等效應(yīng)力分布云圖

圖5 為支撐架豎直方向位移分布云圖，從圖中可以看出，最大位移為1.1 mm，最大位移位于橫梁圓管中間位置處。

圖5 沿豎直方向位移分布圖

表2 為支撐架等效應(yīng)力分析總結(jié)表，其中橫梁等效應(yīng)力最大，最大值為33.93 MPa，安全系數(shù)為6.93，安全系數(shù)較大。

表2 分析結(jié)果

2.案例分析

(1)案例背景

蘭州新區(qū)化工園區(qū)某企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)需要，要制作一個(gè)大型水箱，水箱液位高度對(duì)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度影響較大，在制作初期不能確定鋼板厚度，厚度選取不當(dāng)會(huì)造成水箱在使用過程中發(fā)生破壞，甚至?xí)?dǎo)致人員傷亡事故發(fā)生，選用較厚鋼板，會(huì)造成材料浪費(fèi)。現(xiàn)場施工人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用鋼板進(jìn)行制作，但水箱詳細(xì)強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能沒有進(jìn)行掌握，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在制作初期，根據(jù)CAE 技術(shù)分析結(jié)果保證水箱在高液位下具有足夠的強(qiáng)度、剛度非常重要。

(2)案例流程

根據(jù)水箱尺寸在Solidworks 中進(jìn)行三維建模，圖6 為組裝好的三維模型，模型由五塊厚度一樣的鋼板拼接形成。

圖6 水箱三維模型圖

建立好的三維模型導(dǎo)出stp 格式，將上述建成的三維模型導(dǎo)入Workbench 中靜力學(xué)模塊，根據(jù)模型特征進(jìn)行簡化，設(shè)置合理網(wǎng)格尺寸，并劃分網(wǎng)格，該模型結(jié)構(gòu)規(guī)則、簡單，不再進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，圖7為水箱網(wǎng)格劃分圖。

圖7 水箱網(wǎng)格劃分圖

表3 為水箱使用的材料參數(shù)性能，其中彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，屈服強(qiáng)度分別為235 MPa。

表3 水箱材料參數(shù)

根據(jù)化工園區(qū)某企業(yè)水箱使用條件，最高液位為800 mm，設(shè)置靜水壓高度為800 mm，水箱地面設(shè)置為固定約束，見圖8。

圖8 水箱邊界約束圖

圖9 為水箱分析等效應(yīng)力分布云圖，圖10 為位移分布云圖，從圖中可以看出該工況中，水箱最大等效應(yīng)力為205.33 MPa，最大變形為45 mm。

圖9 水箱等效應(yīng)力分布云圖

圖10 水箱整體位移分布云圖

3.總結(jié)

表4 為水箱、支撐架強(qiáng)度、剛度計(jì)算結(jié)果，并計(jì)算安全系數(shù)，結(jié)果表明水箱、支撐架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 分析結(jié)果匯總

（1）該水箱分析時(shí)設(shè)置靜水壓高度為800 mm，結(jié)果表明在四周板材焊接較好的前提下，水箱強(qiáng)度滿足使用要求，但是變形較大。

（2）支撐架安全系數(shù)為6.93，結(jié)果表明安全冗余較大，該企業(yè)設(shè)計(jì)橫梁時(shí)采用了圓鋼，橫梁主要承受彎曲作用，建議實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用工字鋼作為橫梁使用。

（3）有限元分析方法為該企業(yè)上述水箱、支撐架制作提供了指導(dǎo)作用，在方案前期有限元法可以快速、便捷地為方案選型提供指導(dǎo)作用。