基于ANSYS Workbench的加筋平蓋的有限元分析

呂鳳娟，王帥志，李超

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

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基于ANSYS Workbench的加筋平蓋的有限元分析

呂鳳娟，王帥志，李超

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

摘要：根據傳統的計算方法對加筋平蓋進行設計計算；然后利用UG 軟件對凍結壁模擬試驗系統的加筋平蓋進行建模；再用ANSYS Workbench 軟件進行線性靜力分析，并對分析結果進行校核。結果表明：該加筋平蓋的應力強度評定為合格，設計方案合理、有效。

關鍵詞：加筋平蓋；線性靜力分析；應力集中；強度校核

0引言

平蓋是壓力容器較常用的封頭形式，而采用帶加強筋的平蓋不僅可以節省材料，還可以在最大壓力和最大壁厚的限制下，選擇價格較為低廉的材料，因此可大大降低生產成本[1]。然而，該平蓋設計準則是基于“彈性失效”準則，對應于GB150規范系統，它是一種基于經驗的設計方法，得出的結構強度結果比較保守，限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用[2]。因此，在做好加筋平蓋的設計后，需要對結構的強度及穩定性進行有限元分析，進而對結構在使用中是否安全，作出評價。

1加筋平蓋的結構設計

該平蓋為凍結壁模擬實驗系統實驗罐的上下端蓋，根據試驗系統的具體要求：設計溫度為常溫，設計壓力為內壓8MPa。材料類型為Q345R，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，抗拉強度為500MPa，屈服強度為325MPa。

根據GB150.1~150.4—2011《壓力容器》，平蓋設計方案如圖1所示。

1—內矩形筋板；2—外矩形筋板；3—外圓形筋板；4—內圓形筋板圖1　平蓋模型平面圖

(1)

d—當量直徑，mm；d1—內加強環的外直徑，mm；d2—外加強環的外直徑，mm；n—徑向筋板條數。d取d1d2中較大的一個帶入算出d1=559mm；d2=1306mm；d=d2加筋平蓋的厚度可按式(2)帶入計算：

(2)

δp—平蓋計算厚度，mm；Pc—計算壓力，MPa；Dc—平蓋計算直徑，mm；σt—設計溫度下的許用應力，MPa；φ—焊接接頭系數。

筋板高度為300mm，矩形截面筋板其高厚比一般為5~8，為了節省材料取高厚比為8，則筋板厚度為300/8=37.5mm。約取壁厚40mm。

2加筋平蓋的有限元分析

a) 模型及載荷

分析對象為壓力容器加筋平蓋， 模型具體尺寸如圖1。

b) 建立模型

由于該平蓋模型體積較大，且結構和載荷具有對稱性，為避免對整個模型進ANSYS分析時耗用較多的分析時間，利用UG軟件建立整個模型后，再在workbench的Design Modeler模塊中建立軸對稱模型，取原模型的1/4進行有限元分析，建立后的模型，如圖2。

圖2　分析模型

c)網格劃分

該模型為模擬實驗罐帶加強筋的平蓋，加強筋之間及加強筋與平蓋之間的連接方式為焊接連接，該試驗系統的主要功能是對底壓作用下凍結井筒的凍結壁發展形成規律及井筒開挖后凍結壁的變形情況進行模擬，平蓋上需設壓力表，液位計，測量裝置等的開孔接管，以便于檢測檢修，除此以外，還有邊緣固定螺栓開孔，開孔破壞了平板材料的連續性，消弱了原有的承載面積，在開孔邊緣和焊接連接處會有應力集中現象。因此，筋板連接處和開孔處采用較細的網格劃分。

為了得到較好的網格品質，采用分區劃分網格，在重要的位置采用細化網格的劃分方法，最終獲得的網格品品質良好，節點數148105，單元數389852。綜上，劃分結果如圖3。

圖3　網格劃分圖

3施加載荷及約束

有限元分析的目的在于了解模型對施加的外部載荷做出的響應。因此，正確的識別和定義載荷，并有效的實現仿真加載，是運用有限元分析工具的關鍵一步。該模型受到的載荷有內壓、外壓和重力載荷，由于外壓和重力載荷對模型的影響較小，可忽略不計。因此，只考慮對模型施加8MPa的內壓。由于取平蓋的1/4進行靜力分析，還需要對模型進行對稱約束。而螺栓孔需要固定約束，中間孔限制轉動[4]。得到的應力強度圖，如圖4所示。

圖4　應力強度圖

將應力強度圖放大后得到圖5，可知最大應力271.22MPa發生在內圓與外圓之間的筋板上，所以只需要校核該部分的應力強度，只要該筋板強度符合要求，其他的部分就都符合要求。

圖5　應力強度圖

4應力強度校核

該筋板最大應力為217.22MPa，大于許用應力，但這并不能評定為不滿足強度要求，因為在兩部件焊接的這種結構不連續區域，應該參考JB/T4732部標設計(薄膜應力SII≤1.5Sm；彎曲應力SIII≤3Sm；薄膜+彎曲SIV≤3Sm；)，對計算結果進行分析、評定[5]。

在最危險的地方設置一條應力評定線路，路徑1-2，得線性應力強度如圖6,應力結果如圖7所示。

圖6　線性應力路徑

圖7　線性應力化結果

表格1　應力評定表　MPa

5結語

1) 該模型體積較大、局部結構復雜，劃分網格采用整體粗略劃分網格，局部類似焊接、開孔處等應力集中的區域細化網格的劃分方法。這樣既降低了內存需求，又得到了品質好的網格，大大提高了計算結果的準確性。

2) 平蓋內壓作用下引起的一次薄膜應力和二次彎曲應力和由于結構的不連續性引起的包括薄膜應力在內的局部應力都能通過有限元軟件ANGSYS Workbench準確的計算而來。局部應力限制值243MPa遠大于內壓引起的應力72MPa。一次與二次應力限制值361.11MPa遠大于137.6MPa。所以，滿足設計強度要求。

利用大型軟件ANSYS Workbench進行強度分析，可以有效地彌補傳統設計方法的不足。既大大提高了分析結果的準確性、可靠性，又節省了人力、財力，不失為一種有效的強度評估方法。

參考文獻:

[1] 許留關，薛降穎. 《加筋平蓋的計算》[J]. 化工裝備技術，2011; 22，(2).

[2] 王心明. 工程壓力容器設計與計算[M]. 北京：國防工業出版社，2011.

[3] GB150.1~150.4--2011《壓力容器》[S].

[4] 程新宇，馮曉偉, 等. 《基于ANSYS/WOEKBENCH的壓力容器接管分析》[J]. 石油與化工裝備，2011，14，(2).

[5] JB4732-1995鋼制壓力容器-分析設計標準[S].

[6] 許京荊. ANSYS12.0 壓力容器分析[J]. Xu jingjing,《ANSYS12.0 Pressure Vessel Analysis》.

Finite Element Analysis of Flat Cover with Reinforcement Based on ANSYS Workbench

LV Feng-juan，WANG Shuai-zhi，LI Chao

(College of Mechanical Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:The reinforcement flat cover is designed according to the conventional calculation method, the model of reinforcement flat cover of frozen wall simulation test system is setup using UG and then ANSYS Workbench software is used to do its static analysis linearly, and check the results of the analysis. The evaluation result shows that stress intensity of the reinforcement flat cover is qualified and the design proposal is reasonable and effective.

Keywords:reinforced flat cover; ANSYS Workbench; stress concentration; intensity check

基金項目：福建省科技廳重點項目(2009H0023)；福建省教育廳資助項目(JB07027)

收稿日期：2014-12-05

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0090-02

作者簡介：呂鳳娟(1987-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，主要研究方向為機電一體化系統設計。