Workbench子模型技术在球罐应力分析中的应用*

杜文毅，高红利

(广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000)



Workbench子模型技术在球罐应力分析中的应用*

杜文毅，高红利

(广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000)

以3 000 m3液化烃球罐为例，对Workbench子模型技术在球罐应力分析中的应用进行了讨论。利用绑定接触(基于MPC算法)形成过渡区域的方法在Workbench中实现了壳到体的子模型技术。根据粗糙模型的总体位移云图确定了子模型的切割边界，在子模型切割边界上均匀地选取了8个点，通过对比粗糙模型网格加密前后这8个点的总体位移解确认了切割边界上位移解的合理性。对比结果可知，基于Workbench的子模型技术在占用较少计算资源的情况下能获得精度较高的计算结果。

球罐；子模型；有限元；Workbench

0　引言

随着石油化工工业的高速发展，球罐由于自身突出的优点(和其他形式的压力容器相比球罐占地面积更小、所需钢材更少)得到了进一步的应用[1]。为了节约材料、降低成本采用基于有限元法的球罐分析设计已经成为趋势。对球罐的高应力区域(如球壳和支腿的连接处、球壳和U型托板的连接处、U型托板和球壳的连接处等)的有限元处理是应力分析中的重要环节。工程上为了提高高应力区域应力分析的准确性，常用的方法是增加该区域及附近的网格密度[2]。由于球罐结构的特点和载荷工况的复杂性，这种对高应力区域的处理方法往往需要占用较多的计算资源和时间。而子模型技术可以在保证关键区域计算精度的同时有效的减少计算资源的占用。

文献[3]～[5]利用ANSYS软件中的子模型技术对球罐进行了应力分析。在此类分析中由于粗糙模型使用壳单元建模，子模型使用实体单元建模，在采用壳到体特殊子模型技术时就需要在ANSYS中进行复杂的插值计算和文件操作。与ANSYS经典版(Mechanical APDL)相比，ANSYS Workbench作为ANSYS公司集成了各种与仿真相关的API而提出的协同仿真环境，其界面友好、操作相对简单、更加适用于工程应用。文章主要对利用Workbench子模型技术进行球罐应力分析进行了讨论。

1　子模型技术及其分析步骤

子模型技术又称为切割边界位移法，是一种从原模型(粗糙模型)上截取局部结构(子模型)，并对该局部结构加以细化操作(如网格加密或更改单元类型等)后进行二次分析从而提高局部计算精度的一种方法。子模型技术在理论上基于圣维南原理。圣维南原理认为弹性体表面的某部分的外力，可用作用在该部分上的等效力系来代替，这种代替只会使外力作用区域附近的应力有显著改变，但对于较远处的影响则可以忽略[5]。

在ANSYS Workbench软件中子模型分析一般包含了下面几个步骤。

1)建立粗糙模型。由于子模型的结果是根据粗糙模型在切割边界上的位移解插值得到的，因此须保证粗糙模型具有足够的网格密度以获得合理的位移解。

图1文件连接关系

2)建立文件连接关系。在Workbench软件中静力分析系统(static structure)一共包含了工程数据(Engineering Data)、几何模型(Geometry)、有限元模型(Model)、设置(Setup)、解(Solution)、结果(Results)这六个单元。其中设置单元包含了求解所需的所有数据；有限元模型单元则包含了网格、接触、坐标系和名称选择数据。建立子模型与粗糙模型的文件连接关系只需要把原静力分析系统(粗糙模型静力分析系统)复制一份，然后连接原系统的解单元与复制系统的设置单元即可，具体如图1所示。

3)建立子模型。首先清空(Reset)子模型系统的有限元模型单元，编辑其几何模型(Geometry)单元即进入DesignModeler(DM)。在DM中建立子模型切割边界，并删除边界外的模型。然后编辑其有限元模型单元即进入Mechanical，在Mechanical中对切割边界加载位移约束(该位移约束文件由软件根据切割边界及子模型的网格自动生成)。最后对子模型进行网格划分即可。

2　Workbench子模型技术在球罐应力分析中的应用

2.1球罐结构参数及工况

以3 000 m3球罐为例进行研究。其结构参数，如表1所示。

表1　球罐结构参数表

应力分析涉及的工况为球罐的操作工况，即操作状态重力载荷+计算压力[7]。

2.2粗糙模型的建立与分析

由于载荷的对称性使用1/10球罐模型进行建模。粗糙模型采用壳单元shell181划分网格，节点总数为4 395，单元总数为4 450。位移云图及网格划分如图2所示。

为了使切割边界上的位移解更加合理，应尽量使切割边界经过位移响应变化均匀的区域。故根据粗糙模型的位移云图，可将图3所示曲线在球壳上的投影设为子模型切割边界。其中曲线圆弧部分的半径为支腿内径的4倍(1 300 mm)，直线部分的长度为U型托板圆心到赤道面的距离(3 042 mm)。

图2　粗糙模型的位移云图和网格划分　　　图3　用于投影的空间曲线

为了确认切割边界位移解的正确性，可在切割边界上均匀地取8个点，并将粗糙模型的网格密度增加一倍，最后对比网格加密前后这8个点的总体位移情况。可以发现粗糙模型网格加密后切割边界上这8个点的位移偏差最大不超过3%，故认为在此网格密度下切割边界上的位移解是合理的[4]。选取点的位移情况对比，如图4所示。

2.3子模型的建立与分析

Workbench并不支持由壳到体的子模型技术，为使子模型能在切割边界上与粗糙模型连接，需要用壳单元shell181创建过渡区域。然后通过绑定接触(基于MPC算法)连接过渡区域和远端区域(远端区域指子模型中远离切割边界的区域，远端区域采用实体单元solid186建模)。远端区域与过渡区域的边界生成方法与子模型切割边界的类似，远端区域边界圆弧部分的半径变为支腿内径的3倍，直线部分不变。过渡区域和切割边界上的位移约束，如图5所示。

图4　切割边界上的点位移　　　　图5　切割边界位移约束和过渡区域

图6等效应力云图和网格划分

子模型包含了174 603个节点、58 872个单元。子模型远端区域的最大等效应力为302.47 MPa，位置位于支腿和球壳连接处的顶部(粗糙模型得到的最大应力为347.28 MPa，位置位于U型托板与球壳连接处的直线上)。子模型远端区域的等效应力云图和网格划分情况，如图6所示。

3　结语

(1)通过建模过程的对比可以发现，与ANSYS经典界面相比，在Workbench中利用子模型技术进行应力分析要更加简便。

(2)对比最大应力点的位置可以发现，在子模型中通过增加单元密度、改变单元类型可显著的提高局部分析的精度。而如果为了在局部获得同样精度的解，直接地对整体模型进行这种高密度的网格划分将占用大量的计算资源。

[1] 徐英，杨一凡.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2] 万兴，张群，向玲.以Workbench进行球罐设计的建模分析方案[J].化工装备技术，2015，36(2)：35-40.

[3] 国宏斌，张景.ANSYS子模型技术在LPG球罐设计检验中的应用[J].化工机械，2009，36(6)：582-584.

[4] 高炳军，高燕红，李金红.子模型法在球罐应力分析中的应用[J].压力容器，2009，26(5)：27-31.

[5] 高艳红，董俊华，高炳军.子模型技术在大型球罐支撑区应力分析及结构优化中的应用[J].机械强度，2010，32(5)：735-739.

[6] 小鱼儿和加加.JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准[EB/OL].(2012-08-28)[2016-05-11].http://wenku.baidu.com/link?url=SLJwyJGUZjcjGEYXHyQJshOrXKmCcb-dvoFxO5KLstsKM9r0pvNkFtere76PefZAT1ayLs4amBGeepR2iBXzjvnONORsZhUv0BrHA74gH3q.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB12337—2014钢制球形储罐[S].北京：中国标准出版社,2015.

(责任编辑：黄容)

Stress Analysis of Spherical Tank based on Workbench Submodeling

DU Wenyi， GAO Hongli

(College of Machinery and Electronic Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)

Taking 3 000 m3liquefied hydrocarbon spherical tank for example, the application of Workbench submodeling technology in spherical tank stress analysis is discussed. Bonded contact (based on the MPC algorithm) is used to form transition area to fulfill the submodeling technology from shell to solid in Workbench. Based on the total displacement contours of coarse model, the cutting boundary of the submodeling is determined, and 8 points on the cutting boundary is selected uniformly. The total displacements of the 8 points before and after mesh refining are compared so as to confirm the rationality of total displacement solution on cutting boundary. The results show that submodeling technique based on the Workbench can obtain better calculation results with less computational resources.

Spherical tank; Submodeling; Finite element; Workbench

2016-04-07；

2016-05-11

杜文毅(1987—)，男，江西南昌人，硕士，助教，主要从事结构分析方面的科研工作。

TQ50.2

A

2095-2562(2016)04-0044-03