基于ANSYS的吸附塔設(shè)備疲勞分析

丁振興，劉 峰，蘇 健，廖廣純，李 炫，劉坷嘉

(1.廣西上善若水發(fā)展有限公司，廣西 南寧 530022；2.廣西北投環(huán)保水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

結(jié)構(gòu)在交變載荷下會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，這個(gè)問題在壓力容器設(shè)備設(shè)計(jì)中很早就被重視，并且形成了一套完整的疲勞分析系統(tǒng)[1，2]。然而疲勞破壞特別容易發(fā)生在塑性變形大的高應(yīng)變區(qū)域，如發(fā)生在接管根部等，且破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)比較低，因此有必要通過有限元分析技術(shù)來找到高應(yīng)變區(qū)，驗(yàn)證該區(qū)域是否滿足疲勞強(qiáng)度要求，如果不符合則需要進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)[3]。

吸附塔是用來實(shí)現(xiàn)吸附分離操作的設(shè)備，在吸附平衡情況下，溫度越低，壓力越高，吸附量越大。反之，溫度越高，壓力越低，則吸附量越小[4，5]，通常采用變溫吸附或變壓吸附兩種循環(huán)過程完成吸附與解吸，因此常常在交變載荷工況下工作，故除了需要對(duì)吸附塔進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，還需要進(jìn)行疲勞分析，對(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核[6，7]。

1 吸附塔設(shè)備基本參數(shù)

圖1為本文研究的吸附塔設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖，表1為其中的管口參數(shù)。吸附塔最高工作壓力為0.25 MPa，最低工作壓力為-0.1 MPa，最高工作溫度為200 ℃，設(shè)備材料為0Cr18Ni9，其彈性模量E=2×105MPa，泊松比μ=0.3，物料為乙醇。

表1 吸附塔設(shè)備管口參數(shù)

圖1 吸附塔設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

吸附塔壓力循環(huán)周期為1 200 s，按一年工作360 d計(jì)算，使用壽命為15年，載荷循環(huán)次數(shù)為：

N=(24×3 600/1 200)×360×15=3.888×105次.

吸附塔工作時(shí)，主要受到設(shè)備自重、物料重量以及運(yùn)行中的交變載荷，會(huì)導(dǎo)致吸附塔產(chǎn)生疲勞應(yīng)變，這些應(yīng)變往往集中在設(shè)備結(jié)構(gòu)變形及接管處。

2 建立吸附塔設(shè)備ANSYS有限元模型并進(jìn)行分析

因吸附塔受力集中區(qū)域在封頭及接管的高應(yīng)變區(qū)，筒體部分受載均勻，所以建立吸附塔設(shè)備的ANSYS有限元分析模型時(shí)僅建立封頭及部分筒體的模型即可。吸附塔設(shè)備三維模型如圖2所示。采用SHELL181單元，通過網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖2 吸附塔設(shè)備三維模型 圖3 吸附塔劃分網(wǎng)格模型 圖4 吸附塔設(shè)備載荷施加

模型劃分網(wǎng)格后，需要進(jìn)行施加載荷，包括內(nèi)壓與外壓，內(nèi)壓施加載荷部分程序代碼如下：

!以下定義載荷步、加載并求解

time,1!第一載荷步對(duì)應(yīng)最大工作壓力

cmsel,s,apax1!選擇面組件apax1

sfa,all,1,pres,pax21 !對(duì)接管1施加端部平衡面載荷

cmsel,s,apax2 !選擇面組件apax2

sfa,all,1,pres,pax22 !對(duì)接管2施加端部平衡面載荷

cmsel,s,apax3 !選擇面組件apax3

sfa,all,1,pres,pax23 !對(duì)接管3施加端部平衡面載荷

cmsel,s,acon !選擇面組件acon

sfa,all,1,pres,p2 !施加內(nèi)壓

外壓施加方法類似，施加內(nèi)、外壓載荷后的吸附塔設(shè)備有限元模型如圖4所示。

加載后進(jìn)行疲勞分析，疲勞分析部分代碼如下：

FL,1,48630,1.0,1.0,1.0,try!定義疲勞分析參數(shù)

SET,1,last !讀入第一載荷數(shù)據(jù)

FSNODE,48630,1,1 !計(jì)算并存儲(chǔ)疲勞分析節(jié)點(diǎn)的各應(yīng)力分量

SET,2,last !讀入第二載荷數(shù)據(jù)

FSNODE,48630,1,2 !計(jì)算并存儲(chǔ)疲勞分析節(jié)點(diǎn)的各應(yīng)力分量

!FE,1,1 !清除以前的疲勞參數(shù)與數(shù)據(jù)

FE,1,3.88e5 !設(shè)定事件循環(huán)次數(shù)

FTCALC,1,48630 !進(jìn)行疲勞評(píng)定

進(jìn)行疲勞分析得到的吸附塔應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 吸附塔應(yīng)力云圖

由圖5可知，該吸附塔設(shè)備最大應(yīng)力強(qiáng)度幅位于DN600處的人孔與封頭相貫區(qū)的內(nèi)壁，其最大值為218.263 MPa。查標(biāo)準(zhǔn)JB4732-2002提供的0Cr18Ni9疲勞曲線[8]，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度幅允許的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為Nf>106。由于該吸附塔設(shè)備的N

3 結(jié)論

采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)吸附塔設(shè)備進(jìn)行建模，對(duì)建立的模型加載模擬分析真實(shí)工況下的疲勞強(qiáng)度，找到其最大應(yīng)力強(qiáng)度幅位置，驗(yàn)證該處疲勞強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。通過ANSYS有限元分析方法改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用各種失效準(zhǔn)則進(jìn)行繁瑣計(jì)算的方法，減少了設(shè)計(jì)成本，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，為吸附塔的疲勞分析提供了新思路。