CAE技術在化工設備中的應用

＊蘇澤輝 杜宏娥

（1.蘭州新區石化產業投資集團有限公司 甘肅 730314 2.甘肅衛生職業學院 甘肅 730030）

CAE 分析技術普遍使用于結構強度設計、熱設計、流場分析等領域，是目前世界范圍內比較先進的設計方法，具有直觀、可靠、速度快、精度高等優點，在各行各業受到廣泛的應用。化工園區工程實踐過程中，有較多的工程施工需要快速進行構件選型，但工程施工人員結構選型較為隨意，常根據經驗進行構件選擇，對結構件在應用場合中的安全系數、變形大小沒有進行計算，因此在工程實踐中存在一些由于盲目選型造成材料浪費的現象，或者由于強度、剛度不足引發結構破壞，造成經濟損失，甚至人員傷亡的風險。因此，工程實踐中應快速采用CAE 技術對結構應用進行分析，把握結構使用場合中構件強度、剛度等安全范圍，達到降本增效、安全施工的目的。本文結合某化工園區兩個案例引導工程實踐人員在工程施工中引入CAE 分析技術，掌握CAE 分析技術在工程實踐中的方法和應用。

1.案例分析

(1)案例背景

CAE 分析技術在工程實踐中可以快速進行結構強度、剛度等的分析，快速掌握結構件在應用場合的應力、變形大小，使結構件處在安全有效的彈性變形階段內。

蘭州新區化工園區某企業在工程應用中需要在車間搭建一個支撐架，將底部重量為0.8 t 的進口水泵吊取出來，根據現場現有材料進行架子快速搭建。施工人員根據經驗進行搭建，然后隨即進行吊取作業，一旦在吊裝作業中架子發生結構破壞，會導致進口水泵嚴重損壞，造成經濟損失，甚至人員受傷。

(2)案例流程

根據現場施工人員的設想和現場現有材料，快速建模，主要由橫梁、立柱、三角支撐結構等組成，在Solidworks 中進行三維建模，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出stp 格式，將導出的stp格式導入Workbench 中靜力學模塊進行分析，根據模型特征進行簡化，簡化模型對力學性能沒有影響的小特征，對小圓角、小倒角進行簡化，對結構特征不是很規則的模型采用四面體網格劃分方法，并進行網格無關性劃分。

圖2 為網格無關性驗證，隨著網格數量的增加，等效應力變化如圖所示，可以看到當網格節點數倍數增長時，等效應力變化范圍較小，因此以該網格尺寸劃分是合適的。

圖2 網格無關性驗證圖

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

表1 材料參數

對支撐架進行邊界條件的施加，支撐架在實際應用時固定兩邊兩個支架，中間采用導鏈提升泵，泵質量為800 kg，根據上述邊界條件對支撐架施加邊界條件。

根據上述邊界條件，設置合理的載荷布進行求解計算，對計算結果進行提取，圖3 為支撐架、水箱計算結果。

圖3 邊界條件施加圖

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

圖4 等效應力分布云圖

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 為支撐架等效應力分析總結表，其中橫梁等效應力最大，最大值為33.93 MPa，安全系數為6.93，安全系數較大。

表2 分析結果

2.案例分析

(1)案例背景

蘭州新區化工園區某企業根據生產需要，要制作一個大型水箱，水箱液位高度對整體結構強度、剛度影響較大，在制作初期不能確定鋼板厚度，厚度選取不當會造成水箱在使用過程中發生破壞，甚至會導致人員傷亡事故發生，選用較厚鋼板，會造成材料浪費。現場施工人員根據經驗選用鋼板進行制作，但水箱詳細強度、剛度等力學性能沒有進行掌握，存在一定的風險，因此在制作初期，根據CAE 技術分析結果保證水箱在高液位下具有足夠的強度、剛度非常重要。

(2)案例流程

根據水箱尺寸在Solidworks 中進行三維建模，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出stp 格式，將上述建成的三維模型導入Workbench 中靜力學模塊，根據模型特征進行簡化，設置合理網格尺寸，并劃分網格，該模型結構規則、簡單，不再進行網格無關性驗證，圖7為水箱網格劃分圖。

圖7 水箱網格劃分圖

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

表3 水箱材料參數

根據化工園區某企業水箱使用條件，最高液位為800 mm，設置靜水壓高度為800 mm，水箱地面設置為固定約束，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，水箱最大等效應力為205.33 MPa，最大變形為45 mm。

圖9 水箱等效應力分布云圖

圖10 水箱整體位移分布云圖

3.總結

表4 為水箱、支撐架強度、剛度計算結果，并計算安全系數，結果表明水箱、支撐架結構強度、剛度滿足設計要求。

表4 分析結果匯總

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

（2）支撐架安全系數為6.93，結果表明安全冗余較大，該企業設計橫梁時采用了圓鋼，橫梁主要承受彎曲作用，建議實際應用時，采用工字鋼作為橫梁使用。

（3）有限元分析方法為該企業上述水箱、支撐架制作提供了指導作用，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作用。