氮氣緩沖罐抗沖擊仿真計算研究

夏樹昂，王喜祥，趙宴輝，岳強，韓洋洋

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

0 引言

膜分離制氮裝置由壓縮、過濾、分離、緩沖、增壓等步驟組成。其中，從膜分離裝置分離得到的氮氣壓力在管道內波動較大，不適合直接進入增壓機進行壓縮，需要氮氣緩沖罐暫時存儲以及緩沖氮氣增壓機入口處的壓力波動，為氮氣增壓機提供穩定的氣源。氮氣緩沖罐起到“承上啟下”的作用，使整個制氮系統工作更平穩。

艦船在航行或作戰過程中，艦船和其上的化工機械設備會受到來自惡劣環境、兵器爆炸等因素產生的沖擊載荷。沖擊具有瞬態性，如果引起的沖擊應力超過設備的強度極限，則會對設備造成不可逆的破壞[1]。上世紀，船用設備沖擊計算方法采用沖擊設計因子法[2]。隨著現代艦船軍事科技的發展，對船用設備提出更高的安全質量要求，剛性連接船用設備的抗沖擊計算大都采用沖擊響應的譜分析方法[3]。隨著有限元軟件的發展，計算機仿真模擬[4]成為船用設備抗沖擊能力的校核國內外學者采用的經濟性更高的方法。

目前國內外對氮氣緩沖罐的研究多為靜力學分析或振動分析，馮俊森[8]對一種天然氣緩沖罐采用Workbench靜力學分析模塊進行仿真，但沒有計算緩沖罐的最大應力，對其是否具有抗沖擊能力也沒有研究。禹貴成等[6]針對往復式壓縮機緩沖罐振動超標問題，通過數值仿真驗證提出了減振方案，但未考慮瞬時的沖擊對緩沖罐的影響，未對緩沖罐進行沖擊仿真與校核。朱冠楠[7]采用ASPEN HYSYS軟件對二甲基亞砜精餾塔設備進行仿真模擬，研究了不同流量、成分組成對精餾塔的沖擊影響，但多從化工工藝角度出發，沒有用有限元方法進行沖擊動力學性能分析。綜上所述，國內外對緩沖罐等設備仿真研究多為靜力學仿真或模態仿真，沖擊仿真計算研究較少，整個沖擊參數和沖擊仿真計算校核過程介紹不夠完善，并且，對于船用設備沖擊性能的要求與重視程度不斷提高。針對這一現狀，以剛性安裝的氮氣緩沖罐這一船用設備作為研究對象，采用ANSYS Workbench軟件中的模態分析和譜分析模塊對其進行抗沖擊仿真計算。

1 沖擊條件

譜分析的基礎是模態分析，模態分析基本方程為[8]：

式中：[M]為系統的質量矩陣；[C]為系統的阻尼矩陣；[K]為系統的剛度矩陣；[x¨]、[x˙]、[x]分別是系統的加速度、速度和位移矢量。

船用設備沖擊設計值由艦船安裝部位確定，根據GJB1060.1.1991，船用設備三向沖擊加速度設計值Aa和速度設計值Va見表1。

表1 船用設備沖擊設計值

表1中相關參數按照下列公式計算：

對于船體和外板安裝部位：

2.2兩組甲狀腺激素指標變化 治療前,兩組患者甲狀腺激素指標間差異不具有統計學意義(P>0.05);治療后,兩組患者的TSH水平顯著提高(P<0.05),FT3、FT4、TT3、TT4水平明顯下降(P<0.05),并且與對照組相比,觀察組的改善情況更加顯著(P<0.05)。具體見表2。

式中：ma為氮氣緩沖罐的模態質量。

對于甲板安裝部位：

甲板安裝部位V0的計算方法與式（3）一致。沖擊設計加速度應取Aa和Vaωa中較小值，作為其動力學分析系統在某一方向上的沖擊設計加速度。其中，是模態質量ma對應的振動模態圓頻率，單位是rad/s。

根據氮氣緩沖罐的工作環境，確立氮氣緩沖罐的抗沖擊設計分析的條件。

（1）艦船類型：大型水面艦艇；

（2）安裝位置：甲板部位安裝；

（4）分析類型：彈性設計。

2 氮氣緩沖罐抗沖擊計算

采用ANSYS WORKBENCH 15.0計算軟件進行氮氣緩沖罐抗沖擊仿真分析。首先利用Modal模塊對氮氣緩沖罐進行模態分析，以模態分析結果為基礎，在Response Spectrum模塊對其進行譜分析。

2.1 幾何模型構建與簡化

氮氣緩沖罐為一種立式緩沖罐，利用三個地腳螺栓與氮氣緩沖罐三個支座上的開孔進行固定，將設備固定在水面艦船的甲板部位，其最高工作壓力為2.2 MPa。在Creo 5.0中構建氮氣緩沖罐幾何實體模型，如圖1所示。為了提高運算速度和網格質量，對該模型進行結構簡化，消除了氮氣緩沖罐上細管、進出口管、儀器儀表等不利于網格劃分的部分，如圖2所示。將其轉化為ANSYS Workbench可識別的文件類型（.stp格式、.igs格式），將此模型導入ANSYS Workbench軟件中進行沖擊仿真分析。

圖1 氮氣緩沖罐幾何實體模型

圖2 氮氣緩沖罐簡化模型

2.2 定義材料屬性

氮氣緩沖罐采用不銹鋼材料，彈性模量為：E=2e11 N/m2，泊松比為：λ=0.3，密度為7850 kg/m3。

2.3 網格劃分

氮氣緩沖罐采用四面體網格劃分，有限元網格一共有13651個節點，共劃分為6707個網格。網格劃分模型如圖3所示。

圖3 氮氣緩沖罐網格劃分模型

2.4 載荷與約束的施加

氮氣緩沖罐模型各部分采用粘接命令，對該緩沖罐三個支座的底面采用Fixed Support模塊約束全自由度。邊界條件的約束施加如圖4所示。

圖4 氮氣緩沖罐設備邊界條件的約束施加

2.5 仿真模型

氮氣緩沖罐在Workbench中沖擊仿真模型搭建如圖5所示。其中譜分析采用Response Spectrum模塊進行仿真，整個仿真模型框圖均顯示設置正確，仿真計算過程（網格劃分、參數設置等）中沒有報錯（Error）提示，建立的模型具有有效性。

圖5 氮氣緩沖罐沖擊仿真搭建模型圖

2.6 模態計算

在Modal中設置模態數為20階，氮氣緩沖罐的第1階模態頻率為58.4 Hz，第2階模態頻率為92.1 Hz，第3階模態頻率為93.3 Hz，第4階模態頻率為283.7 Hz，第5階模態頻率為285.7 Hz，第6階模態頻率為322.4 Hz。前6階模態如圖6所示。氮氣緩沖罐模態分析為后續譜分析沖擊仿真墊定基礎。

圖6 氮氣緩沖罐前六階模態

2.7 譜分析仿真

利用模態仿真計算得到的模態質量，利用式（3）和式（4）進行沖擊設計值的計算，氮氣緩沖罐作為一個多自由度系統要分析足夠的振動模態數，垂向、橫向和縱向選取的總模態質量應大于氮氣緩沖罐總質量的80%，其中超過總質量10%的模態必須分析。按照這一標準，得到氮氣緩沖罐三向沖擊設計值見表2、表3和表4。

表2 氮氣緩沖罐垂向沖擊設計值

表3 氮氣緩沖罐橫向沖擊設計值

表4 氮氣緩沖罐縱向沖擊設計值

將選取計算得到的沖擊設計加速度用RS Acceleration單元進行輸入，仿真計算得到氮氣三向沖擊應力云圖如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 氮氣緩沖罐垂向沖擊應力云圖

圖8 氮氣緩沖罐橫向沖擊應力云圖

觀察氮氣緩沖罐設備的應力云圖，可知應力集中在罐體支座處和支座與罐體的連接處，垂向最大應力數值為62.9 MPa，橫向最大應力數值136.0 MPa，縱向最大應力數值75.7 MPa，均小于不銹鋼條件屈服強度205 MPa，因此，該氮氣緩沖罐設備具有抗垂向、橫向和縱向沖擊的能力。

圖9 氮氣緩沖罐縱向沖擊應力云圖

2.8 地腳螺栓校核

根據國軍標GJB1060.1.1991中5.7.7.1.5條可以得到：

式中：F為氮氣緩沖罐重心處的有效靜力；Da為最大沖擊設計加速度；M為氮氣緩沖罐質量。

設備重量為M=779.44kg

單個螺栓拉力為

所以，氮氣緩沖罐的地腳螺栓具備抗沖擊能力。

3 結語

采用動態設計分析方法（DDAM），對水面艦艇甲板部位安裝的氮氣緩沖罐設備進行沖擊評估，對比三向譜分析應力云圖，看出三向最大應力均小于不銹鋼的條件屈服強度，并對氮氣緩沖罐的地腳螺栓進行校核，氮氣緩沖罐滿足抗三向沖擊的能力。可以發現應力集中部位主要在罐體支座處，可以采取加厚罐體支座，支座加斜撐等方式，進一步減小應力集中現象。該研究對船用罐體的結構設計和加工生產具有一定的參考性意義。