杜文毅 高紅利

(廣東石油化工學(xué)院機(jī)電學(xué)院)

基于Workbench的球罐建模方案與應(yīng)力分析

杜文毅*高紅利

(廣東石油化工學(xué)院機(jī)電學(xué)院)

為提高球罐有限元應(yīng)力計(jì)算的效率，以3 000m3球罐為例，提出了一種基于Workbench的球罐有限元建模方案。通過與常規(guī)球罐建模方案計(jì)算規(guī)模的對比發(fā)現(xiàn)，基于Workbench的球罐有限元建模方案在計(jì)算精度符合要求的前提下，大幅縮減了有限元計(jì)算的規(guī)模和時間。

球罐 有限元建模 載荷設(shè)定 應(yīng)力分析 Workbench

球罐與常用的圓筒型壓力容器相比具有相同容積下所需鋼材少、板殼承載能力大和占地面積小的特點(diǎn)，因此，球罐在石油、化工、冶金及城市煤氣等工程中得到了廣泛應(yīng)用。但由于球罐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和載荷工況的多樣性，其應(yīng)力分析也比較復(fù)雜[1]。工程中常見的做法是根據(jù)球罐的實(shí)際條件按照GB 12337-2014[2]和JB 4732-1995[3]初步確定球罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后使用有限元法對球罐進(jìn)行更加精確的應(yīng)力分析。在此，筆者以3 000m3球罐為例對球罐的有限元建模方案和應(yīng)力分析進(jìn)行了討論。

1 球罐的有限元建模

球罐的有限元建模一般可分為殼體單元建模和實(shí)體單元建模兩種。使用殼體單元可以有效簡化球罐的網(wǎng)格劃分過程、提高模型的單元質(zhì)量，但殼體單元的結(jié)果精度低于實(shí)體單元，而且無法對應(yīng)力路徑進(jìn)行線性化處理；但如果全部使用實(shí)體單元則受殼體與支腿、托板連接處的單元密度影響，必然會產(chǎn)生大量的單元從而占用更多計(jì)算資源。以球罐為例，如果全部采用實(shí)體單元建模則單元總數(shù)為647 226個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 325 887個[4]。

按照J(rèn)B 4732-1995，二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力可由總體、局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起。因此，對球殼與支腿、托板連接處的球殼和臨近的球殼采用三維實(shí)體單元solid186建模，球殼的其他部分采用殼單元shell181建模；U形托板使用solid186單元；支腿與罐體的連接處采用solid186單元建模，支腿的余下部分采用梁單元beam189建模；拉桿采用桿單元link180建模[5]，具體如圖1所示。其中，球殼結(jié)構(gòu)為兩極五帶式，球殼支腿連接形式為赤道正切式，加U形托板；球殼使用的材料為16MnR(正火)，球殼內(nèi)徑18 000mm，壁厚42mm；支腿數(shù)量10個，支腿規(guī)格φ630mm×12mm，支腿高度11.5m；罐內(nèi)介質(zhì)為液化烴，密度600kg/m3，充裝系數(shù)0.9，常溫使用；設(shè)計(jì)壓力1.77MPa，實(shí)驗(yàn)壓力2.22MPa；基本風(fēng)壓800Pa，地震烈度7度(0.1g)。

圖1 球殼與支腿、U形托板連接處的有限元模型

為了將采用殼單元的球殼實(shí)體和采用實(shí)體單元的球殼實(shí)體分開，可在Workbench DM中繪制如圖2所示的草繪圖形。用該草繪創(chuàng)建拉伸特征穿過球殼，拉伸特征的操作選項(xiàng)為分割材料，這樣兩部分的球殼實(shí)體就被分割開來，然后對第二部分的球殼實(shí)體進(jìn)行抽取中面操作即可。

圖2 分割球殼

球殼在與托板、支腿的連接處及其附近區(qū)域采用了實(shí)體單元而在其他部分采用了殼單元，因此需要使用Workbench中的綁定接觸來綁定實(shí)體部分的球殼和殼體部分的球殼。綁定接觸的約束方程選用多點(diǎn)約束方程。又由于支腿下半部分和拉桿分別采用了梁單元和桿單元，因此同樣采用綁定約束將它們綁定，具體如圖3所示。

2 載荷的設(shè)定

球罐受多種載荷的影響，其中設(shè)計(jì)壓力和實(shí)驗(yàn)壓力可通過直接在對應(yīng)面上施加壓力進(jìn)行設(shè)定，工作狀態(tài)或水壓實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下的介質(zhì)自重可以通過施加流體靜壓進(jìn)行設(shè)定，而對于風(fēng)載荷和地震載荷則可以通過施加遠(yuǎn)程載荷進(jìn)行設(shè)定。

Workbench中的遠(yuǎn)程載荷可以在實(shí)體外的某一點(diǎn)上對實(shí)體上的面施加載荷，而在這個面上將得到等效的力和由受力位置偏置而引起的力矩。當(dāng)球罐充裝滿物料時其質(zhì)心非常接近罐體的球心，則在球心位置施加載荷引起的偏置力矩可以忽略；根據(jù)GB 12337-2014，地震載荷和風(fēng)載荷可轉(zhuǎn)化為水平集中力并施加于球罐的質(zhì)心上，所以風(fēng)載荷和地震載荷的設(shè)定如圖4所示。

3 球罐的應(yīng)力分析

按照GB 12337-2014，針對3種工況分別進(jìn)行了應(yīng)力分析：工況1，自重+操作介質(zhì)重量+計(jì)算壓力；工況2，水壓實(shí)驗(yàn)工況；工況3，自重+操作介質(zhì)重量+計(jì)算壓力+25%風(fēng)載+地震載荷。應(yīng)力線性化路徑為：路徑1-1，球殼與支腿連接上端的球殼上；路徑2-2，球殼與U形托板連接下端的球殼上；路徑3-3，球殼赤道線處，盡量遠(yuǎn)離支腿。

圖3 施加的綁定接觸

圖4 風(fēng)載荷和地震載荷的設(shè)定(球罐上部被剖)

由于在工況1、2中，載荷和球罐結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此路徑1-1、2-2可以位于球殼相對于任意支腿在圖5(截面穿過球罐球心和支腿的軸線)中的位置。而在工況3中，路徑1-1、2-2則需位于最大應(yīng)力點(diǎn)附近。

圖5 應(yīng)力線性化路徑1-1、2-2

根據(jù)球殼的材料和設(shè)計(jì)溫度，由JB 4732-1995可以確定罐體材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm=188MPa。則工況1～3下的應(yīng)力評定分別見表1～3，其中，K為載荷組合系數(shù)，PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力，Pm為一次總體薄膜應(yīng)力。

表1 工況1下的應(yīng)力評定(K=1.00)

表2 工況2下的應(yīng)力評定(K=1.20)

表3 工況3下的應(yīng)力評定(K=1.25)

工況3下的球罐總體位移如圖6所示。

圖6 工況3下的球罐總體位移

4 結(jié)論

4.1由應(yīng)力評定結(jié)果可知，筆者提出的有限元建模方案和載荷設(shè)定可以保證球罐關(guān)鍵部分的計(jì)算精度。

4.2利用Workbench中用于多體裝配的綁定接觸可以有效減少有限元分析的計(jì)算規(guī)模，與全部采用實(shí)體單元相比，筆者提出的模型僅包含97 889個單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)217 077個。

[1] 徐英,楊一凡,朱萍,等.球罐和大型儲罐[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] GB 12337-2014,鋼制球形儲罐[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2014.

[3] JB 4732-1995,鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部,1995.

[4] 高紅利,李偉軍,李志海.多基礎(chǔ)不均勻沉降球罐的應(yīng)力分析[J].壓力容器,2013,30(1):40～44.

[5] 萬興,張群,向玲.以Workbench進(jìn)行球罐設(shè)計(jì)的建模分析方案[J].化工裝備技術(shù),2015,36(2):35～40.

ModelingSchemeforSphericalTankandStressAnalysisBasedonWorkbench

DU Wen-yi, GAO Hong-li

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,GuangdongUniversityofPetrochemicalTechnology,Maoming525000,China)

Taking a 3000 m3spherical tank as an example, a Workbench-based finite element modeling scheme for it was proposed to improve the efficiency of calculation. Comparing this scheme with that for conventional spherical tank shows that under premise that the calculation accuracy meets the requirements, this scheme proposed can reduce both size and time of the finite element calculation substantially.

spherical tank, finite element modeling, load setting, stress analysis, Workbench

*杜文毅，男，1987年3月生，助教。廣東省茂名市，525000。

TQ053.2

A

0254-6094(2016)03-0347-04

2016-02-03)