基于ANSYS的天圆地方接口有限元分析

焦培训，王太茂，王博录

(1.山东琦泉集团有限公司，山东济南 250023；2.济南锅炉集团有限公司，山东济南 250023)

基于ANSYS的天圆地方接口有限元分析

焦培训1，王太茂2，王博录2

(1.山东琦泉集团有限公司，山东济南 250023；2.济南锅炉集团有限公司，山东济南 250023)

为了验证除湿设备天圆地方接口结构布置的合理性，基于ANSYS有限元分析软件建立有限元模型，对接口模型进行应力和变形分析，结果表明结构布置满足安全生产需要。为了节约成本，结合模拟结果对接口的平面框架结构提出优化方案，通过ANSYS有限元分析对优化方案进行计算。结果表明：优化方案在改善受力状况的同时，节省了材料用量，达到了节约成本的目的。

天圆地方；ANSYS；有限元；应力分析

某化工企业需要将除湿设备出口设计为天圆地方结构。其壁板和平面框架所需材料均为碳钢(Q235B)，因方口跨度大，圆口直径大，并且承受650 kN静荷载，因此需要计算其应力状态。本文应用ANSYS软件，分析天圆地方接口的应力分布，并对平面框架结构进行优化。

1 有限元分析

1.1 模型几何结构

选取某化工企业除湿设备使用的天圆地方结构为研究对象，几何结构如图1所示(图中长度单位m)。模型由4个平面壁板、4个曲面壁板、1个筒体壁板、4个平面框架、4个曲面框架、1个筒顶环形梁组成。平面框架结构布置见图2，其中①为槽钢[16，②为工字钢I300×150×6.5，③为角钢L100×100×8；曲面框架由角钢L100×100×8组成；筒顶环形梁由槽钢[14构成。主体结构为上圆下方布置，下部方口整体支撑在一圈支撑梁上。具体结构尺寸如表1所示。

图1 几何结构图 图2 平面框架结构布置图

长度(x向)/m宽度(y向)/m高度(z向)/m壁厚/mm18.417.53.46

1.2 计算模型

本文采用ANSYS软件对结构进行数值模拟。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo、Alogor、AutoCAD、Solidworks等软件，是现代产品设计中高级CAE工具之一[1]。CAE的技术种类有很多，包括有限元法、边界元法、有限差分法等，每一种方法各有其应用领域，其中有限元法应用领域越来越广，已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学等[2-4]。ANSYS软件主要包括前处理模块、分析计算模块、后处理模块3部分。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具；分析计算模块可模拟多种物质介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量等图形方式显示，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出[5]。

本文使用Solidworks机械设计软件代替ANSYS软件中的前处理模块，以1:1的比例对天圆地方结构建立实体模型，然后将实体模型导入到ANSYS模拟软件进行数值计算。选用单元类型为三维八节点六面体结构固体单元(solid185)，该类型单元每个节点包含3个自由度，能合理模拟钢的应变和变形，准确描述模型的应力分布规律。

图3 模型网格图

为了计算方便快捷，所有焊缝均未单独考虑，并将天圆地方接口与其支撑结构视为一个整体进行建模[6]。将整个模型结构划分为相同大小的单元，节点数和单元数分别为60 400和34 055，如图3所示(图中长度单位为m)。

1.3 模型计算参数

该结构内部烟气压力为-2～5 kPa，工作温度为常温。上部圆口承受外部静载为650 kN。为便于计算分析，假设该结构未发生塑性变形，即材料的应力和应变呈线性相关。碳钢Q235B的材料力学性能参数为：弹性模量E=206.0 GPa，泊松比μ=0.29[7]，常温(20 ℃)下材料的屈服极限σs=235 MPa，许用应力[σ]=160 MPa[8]。该结构上部圆口连接膨胀节，可视为自由端，下部方口支撑在一圈钢架梁上，可视为约束端[9]，故模型计算时仅对方口下边缘施加了固定约束。

2 天圆地方接口模型计算分析

表2 4种工况计算结果统计

运用ANSYS有限元软件分析接口模型在不同内压和外载工况下的应力变化规律。在其他条件和参数不变的情况下，本文工况分为以下4种：①内压-2 kPa,无外载；②内压-2 kPa,外载650 kN；③内压+5 kPa,无外载；④内压+5 kPa,外载650 kN。

一般材料在外力作用下产生塑性变形，以流动形式破坏时，材料表现为屈服失效，可用第三强度理论和第四强度理论进行解释[10]。ANSYS有限元软件采用von mises屈服准则对实体模型进行数值计算模拟，模拟计算结果可提供模型受外力作用时的第一主应力、第二主应力、第三主应力、应力强度(stress intensity)和等效应力(von mises stress)，其中应力强度和等效应力分别遵循第三强度理论和第四强度理论[11-13]。结合焊接三通的安全性和持久性，本文选用von mises stress理论计算结果对焊接三通应力分布情况进行分析[14]。对4种工况分别进行计算，得出各工况下结构模型的最大应力和最大变形(见表2)。4种工况下模型的应力分布及变形规律如图4、5所示(图4中单位MPa，图5中单位为mm)。由于在平面壁板、曲面壁板和筒体壁板的结合位置发生了外部形状突变，此部位出现应力集中现象。在静载作用下，用塑性材料制成的部件可以不考虑应力集中的影响[15]。

图4 4种工况下模型应力分布云图

图5 4种工况下模型变形规律云图

由图4、5可知：1)在内压不同的情况下，650 kN外部静载会引起结构模型最大应力的变化，但不会影响结构模型的最大变形，且应力分布规律也无明显变化。2)在其他条件不变的情况下，结构模型在内压-2 kPa环境中工作时的应力比+5 kPa时要小，变形量也小，因此，该模型长期在-2 kPa内压的工作状态要优于+5 kPa。3)最大变形量梁长度为6 m，则其允许挠度[U]=17 mm[16]。在忽略应力集中现象的前提下，模型的最大应力σ<[σ]，最大变形U<[U]，因此在以上工况下，该模型结构能满足安全生产的需要。4)由上述模拟结果看出，平面壁板比曲面壁板和筒体壁板更容易发生变形，且曲面壁板和筒体壁板变形相对很小。因此，在平面壁板上做平面框架是很有必要的。考虑到烟气腐蚀等因素[17]，天圆地方钢板厚度为6 mm，不允许减薄，若要减轻结构质量，节省成本，可对平面框架结构进行优化。

3 平面框架结构优化

图6 平面框架优化方案结构布置图

通过上述计算结果得出，天圆地方结构平面部分的中间位置变形和应力最大。根据经验，变形小的部位应适当减小框架梁的截面[18]，在结构变形大的部位适当增大框架梁的截面[19]。综上所述，本文提出以下具体优化措施：框架梁间距不变(便于做保温)[20-22]，改变部分框架梁的截面。减小框架梁的截面，角钢L100×100×8代替部分槽钢[16；增大框架梁的截面，竖向工字钢I300×150×6.5代替槽钢[16，见图6(图中①为槽钢[16，②为工字钢I300×150×6.5，③为角钢L100×100×8)。取以上4种工况中的最不利工况(内压+5 kPa，外载650 kN)作为研究条件进行模拟计算，见图7(图7a)中应力单位为MPa)。

图7 优化方案模拟结果云图

方案最大应力/MPa最大变形/mm初步15610.5优化1337.9

通过模拟得出两种方案在最不利工况下结构的最大应力和最大变形如表3所示。初步方案中结构的最大应力为156 MPa，最大变形量为10.5 mm。优化方案中结构的最大应力为133 MPa，最大变形为7.9 mm。可见优化方案不仅改善了平面框架结构的应力状态，并且也减小了变形。经过计算，优化后整个平面框架的总质量由7 291 kg降为6 405 kg。优化方案减少用料后，不仅没有影响天圆地方接口的工作状态，其受力和变形状况得到了极大改善。因此，在以后的工程中可以采用优化后的方案。

4 结语

1)利用ANSYS有限元软件对天圆地方接口进行应力分析，发现该结构的平面壁板位置最容易发生变形，是设计中必须要重视的一个环节，必须在该位置做适当的平面框架以减小其变形。

2)天圆地方结构容易在平面和曲面结合的地方发生应力集中现象，因此，在生产过程中，要尽量做到二者结合位置的圆滑过渡，减轻甚至消除应力集中现象。

3)平面框架的优化方案节省材料、降低成本、改善了天圆地方接口的受力和变形状况，达到了经济、安全双重效果，因此优化方案可替代初步方案。

[1]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]凌桂龙，丁金斌.ANSYS 从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]杜壮，王文娜.基于ANSYS的桥式起重机主梁三维有限元分析[J].现代商贸工业，2016，5(16):325-326. DU Zhuang，WANG Wenna. Finite element analysis for girder of bridged crane based on ANSYS[J] .Modern Business Trade Industry，2016，5(16):325-326.

[4]郑培，王悦民.集装箱起重机金属结构数值仿真[J].上海海运学院学报，2003，24(4):294-299. ZHENG Pei，WANG Yuemin. Numerical simulation for mental frame of container-crane[J].Journal of Shanghai Maritime College，2003，24(4):294-299.

[5]段进，倪栋.ANSYS10.0结构分析从入门到精通[M].北京：兵器工业出版社，2006.

[6]邓宏光，白天翔.基于有限元分析的单梁桥式起重机优化设计[J].钢结构，2009，4(2):46-48. DENG Hongguang，BAI Tianxiang. Optimized and designed for girder of bridged crane based on finite element analysis[J].Steel Structure，2009，4(2):46-48.

[7]北京钢铁设计研究总院.钢结构设计规范：GB50017—2003[S].北京：中国计划出版社，2003.

[8]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.水管锅炉：GB/T16507—2013[S].北京：中国标准出版社，2013.

[9]李拔周，徐长生.基于ANSYS的龙门起重机结构有限元分析[J].起重运输机械，2008，8(3):12-14. LI Bazhou，XU Changsheng. Finite element analysis for gantry crane based on ANSYS[J].Hoisting and Conveying Machinery，2008，8(3):12-14.

[10]刘鸿文.材料力学[M].5版.北京：高等教育出版社，2011.

[11]王长利.焊接温度场和应力场的数值模拟[D].沈阳：沈阳工业大学，2005. WANG Changli.Numerical simulation for welding temperature field and stress field[D].Shenyang：Shenyang University of Technology，2005.

[12]李冬林.焊接应力和变形的数值模拟研究[D].武汉：武汉理工大学，2003. LI Donglin. Numerical simulation study for welding stress and deformation[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2003.

[13]蒋孝煜.有限元基础[M].北京：清华大学出版社，1992.

[14]周丰.基于ANSYS的梁结构的应力分析[J].装备制造技术，2010，12(10)：35-42. ZHOU Feng.Stress analysis for beam structure based on ANSYS[J].Equipment Manufacturing Technology，2010，12(10)：35-42.

[15]张丽娟.基于ANSYS的平面应力分析[J].青海民族大学学报，2011，5(4):63-68. ZHANG Lijuan. Stress analysis for plane based on ANSYS[J].Journal of Qinghai University for Nationalities，2011，5(4):63-68.

[16]贾敏.基于ANSYS的盲板应力分析研究[D].抚顺：辽宁石油化工大学，2011. JIA Min. Stress analysis study for blind plate based on ANSYS[D].Fushun：Liaoning Shihua University，2011.

[17]张海滨.机械臂有限元应力分析[D].北京：中国科学技术大学，2009. ZHANG Haibin. Finite element stress analysis for mechanical arm[D].Beijing：University of Science and Technology of China，2009.

[18]曹海兵，江楠.大型厚度等径焊接三通应力的有限元分析[J].化工机械，2008，35(4)：216-219. CAO Haibing，JIANG Nan. Finite element stress analysis for equal diameter welding thress pass[J].Chemical Machianry，2008，35(4)：216-219.

[19]何育青.空间薄壁钢结构有限元分析及程序模拟[D].包头：内蒙古科技大学，2007. HE Yuqing. Finite element analysis and process simulation for space thin-walled steel structure[D].Baotou：University of Science and Technology of the Inner Mongol，2007.

[20]熊永华，陈思作.薄壁钢管残余应力有限元分析[J].建筑技术开发，2004，31(11):305-312. XIONG Yonghua，CHEN Sizuo. Finite element analysis for residual stress of thin-walled steel tube[J].Building Technology Development，2004，31(11):305-312.

[21]李之光，梁耀东.工业锅炉现代设计与开发[M].北京：中国标准出版社，2011.

[22]李睿智，何箭，李亮，等.Ansys分析在钢管端检测中的应用[J].合肥工业大学学报(自然科学版)，2010，33(9)：1363-1365. LI Ruizhi,HE Jian,LI Liang,et al.Application of Ansys analysis to steel tube head detection[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2010,33(9):1363-1365.

(责任编辑：郎伟锋)

Finite Element Analysis for Circular-to-Square Interface Based on ANSYS

JIAOPeixun1,WANGTaimao2,WANGBolu2

(1.ShandongQiquanGroupCo.，Ltd.,Jinan250023,China；2.JinanBoilerGroupCo.，Ltd.,Jinan250023,China)

In order to verify the distribution regularity of the circular-to-square interface of the dehumidification equipment, the finite element model is established based on the ANSYS software to analyze its stress and deformation. The result shows that the structural arrangement meets the requirements of the production safety. For the purpose of the cost-saving, this paper presents the optimized scheme of the plane frame structure of the interface in combination with the simulation results and its calculation through the ANSYS finite element analysis. The results show that in the improved stress conditions the optimized scheme saves the materials and reaches the goal of cost-saving.

circular-to-square；ANSYS；finite element；stress analysis

2016-12-12

焦培训(1969—)，男，山东平阴人，工程师，主要研究方向为锅炉及汽机运行，E-mail：891066615@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2017.01.014

TH123.4

A

1672-0032(2017)01-0082-06