【導(dǎo)讀】液化氣體、氧氣、氮?dú)狻⑻烊粴夂统鞘忻簹獾葰怏w，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著不可替代的作用。其種類很多，大體上有：滾塑儲罐，玻璃鋼儲罐，陶瓷儲罐、橡膠儲罐、焊接塑料儲罐等。兩大系，分別包括立式，臥式，運(yùn)輸，攪拌等多個品種。而臥式液化氣儲罐是目前中、小型。臥式儲罐的容積一般都小于100m3，通常用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)或加油站。年來隨著制造工藝的。提高其容積有逐漸增大的趨勢。隨著容積的增大，儲罐在設(shè)計(jì)和使用中的安全可靠性就變得。然而我國臥式儲罐設(shè)計(jì)制造技術(shù)的還遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平，制造較困難，加工。費(fèi)用高，且焊接、檢驗(yàn)技術(shù)要求高。行業(yè)有著極其重要的意義。[2]馬自勤,孫麗,王秀倫等：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹在CAPP信息管理中的應(yīng)用，大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，4103m的大型浮頂儲罐，迄今為止，已經(jīng)先后在。到目前為止，國內(nèi)建成并投入使用的最大容積的大型。氨是生產(chǎn)含氮肥料及尿素的基木原料，一般以液態(tài)的形式從合成氨工廠送到這些肥料廠。貯存，而在常溫下應(yīng)在壓力

　　

【正文】 S＝ 7500（ 860＋400） 310? ＝ 9450 元。 從計(jì)算所得費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)查閱報(bào)價(jià)兩結(jié)果來看，數(shù)值相差不大，由于計(jì)算估計(jì)價(jià)格時(shí)，很多數(shù)據(jù)都是比較保守，大部分都用較大值計(jì)算，所以與實(shí)際報(bào)價(jià)存在一定的差距是很正常的情況 ，從而也證明了第二部分儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性 。 液氨儲罐的應(yīng)力分析 第 23 頁 ( 共 56 頁 ) 4 液氨儲罐的應(yīng)力分析 液氨儲罐應(yīng)力分析的必要性 儲罐在石油化工行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，而且近年來隨著制造工藝的提高其容積有逐漸增大的趨勢。隨著容積的增大，儲罐在設(shè)計(jì)和使用中的安全可靠性就變得極為重要。 為 了確保儲罐在生產(chǎn)中的安全，工廠都會定期對儲罐進(jìn)行檢修，其中包括外觀檢修，打開人孔進(jìn)行檢查，做理化檢驗(yàn)，無損檢測等等。但是隨著儲罐的使用，儲罐的結(jié)構(gòu)、壁厚等參數(shù)都發(fā)生了變化，儲罐在這種變化下還能不能滿足工作的要求 ， 這就需要我們對儲罐的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，做出判斷?，F(xiàn)在最常用的分析就是應(yīng)力分析，其目的就是求出結(jié)構(gòu)在承受載荷以后結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力分布情況，找出最大應(yīng)力點(diǎn)或求出當(dāng)量應(yīng)力值，然后對此進(jìn)行評定，當(dāng)應(yīng)力值在許用范圍以內(nèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足要求，可以安全生產(chǎn)。當(dāng)應(yīng)力值超出許用應(yīng)力時(shí)，儲罐就是危罐，應(yīng)該立即停止使用或者采取合適的方法來補(bǔ)救。 容器的受力情況一般比較復(fù)雜，壓力容器所承受的載荷有多種類型，如機(jī)械載荷（ 包括壓力、重力、支座反力、風(fēng)載荷及地震載荷等 )、熱載荷等。它們可能是施加在整個容器上 (如壓力 )，也可能是施加在容器的局部部位 (如支座反力 )。因此，載荷在容器中所產(chǎn)生的應(yīng)力與分布以及對容器失效的影響也就各不相同。由于容器的受力情況一般比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難解答，然而有限元法作為一種有效的應(yīng)力分析方法正是壓力容器應(yīng)力分析的有效方法。 有限元法概述 有限元法于 1956 年開始，首先在飛機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算中提出用離散的有限單元體 來代替連續(xù)體求解的基本思想和方法，但是由于計(jì)算機(jī)尚未迅速發(fā)展，有限元的使用和發(fā)展受到了很大的限制。到上個世紀(jì) 70 年代，廣泛使用，壓力容器界也開始使用有限元方法解決容器中的具體問題。不僅在固體力學(xué)領(lǐng)域，而且在其他連續(xù)領(lǐng)域中也發(fā)揮了重要作用，解決了越來越多的工程問題。 有限元法可以說是對問題的一種物理近似法，它與差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是從能量原理出發(fā)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。即把連續(xù)的彈性體設(shè)想為由許多有限個單元組成，這些單元的形狀簡單，每個單元僅在節(jié)點(diǎn)處按照一定的 的 設(shè)計(jì) 第 24 頁（共 56 頁） 方式相互聯(lián)系，相互作用。與此 同時(shí)，把用連續(xù)形式描述的邊界條件看作是只需要在邊界上若干個節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)遵守的條件。此外，還把結(jié)構(gòu)所受到的各種載荷按一定的方法化為等效的節(jié)點(diǎn)載荷。實(shí)際上，這就是把無限自由度的連續(xù)體的力學(xué)計(jì)算變成在有限多個節(jié)點(diǎn)某些參數(shù)的計(jì)算。 由于有限元法是采用有限個有限大小的單元節(jié)點(diǎn)處相連所組合成的離散體代替連續(xù)的彈性體，這就是使用有限元法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，即可以適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、載荷及邊界條件，也可以計(jì)算由不同材料組合成的結(jié)構(gòu)。近年來許多功能較強(qiáng)的有限元軟件的不斷涌現(xiàn)，前后處理功能的不斷改進(jìn)，可以輸入比以前更少的信息便可以自動生成網(wǎng)格及載荷移置，像 ANSYS, NASTRAN 等軟件還有等效線性化后處理功能，并將結(jié)果整理出圖象輸出，極大地方便了設(shè)計(jì)者。有限元法目前不僅用于彈塑性分析，還可以用于高溫蠕變分析、大變形與屈曲分析，斷裂分析等。用有限元法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法相結(jié)合還進(jìn)行了不同載荷作用下的極限分析與安全性分析。有限元法作為一種有效的應(yīng)力分析方法正在成為壓力容器應(yīng)力分析的方法。 有限元法的應(yīng)用與電子計(jì)算機(jī)緊密相關(guān)，由于該法采用矩陣形式表達(dá)，便于編制計(jì)算機(jī)程序，可以充分利用高速電子計(jì)算機(jī)所提供的方便。因而，有限元法已被公認(rèn)為工程分析的 有效工具，受到普遍的重視。隨著機(jī)械產(chǎn)品日益向高速、高效、高精度和高度自動化技術(shù)方向發(fā)展，有限元法在現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的作用和地位也越來越顯著，它已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要的且必不可少的工具。 ANSYS 軟件簡介 介紹 ANSYS 軟件 ANSYS 公司創(chuàng)建于 1970 年， ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和禍合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展， ANSYS 逐漸為全球工業(yè)界廣泛接受。 ANSYS 軟件應(yīng)用十機(jī)械、航空航大、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、 生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域， ANSYS 是這些領(lǐng)域進(jìn)行國際國內(nèi)分析設(shè)計(jì)技術(shù)交流的主要分析平臺。 ANSYS 獨(dú)具特色的多物理場禍合分析技術(shù)和涵蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)、隨機(jī)有限元分析等在內(nèi)的一體化的處理技術(shù)充分體現(xiàn)了 CAE領(lǐng)域的最新發(fā)展成就。它能與多數(shù)軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer，NASTRAN， ALGOR， IDEAS， AutoCAD 等。 ANSYS 軟件是第一個工 S09001 通液氨儲罐的應(yīng)力分析 第 25 頁 ( 共 56 頁 ) 過質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會 (ASME)，美國核安全局 (NOA)及近 20 種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn) 分析軟件。在國內(nèi)， ANSYS 第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)院十七個部委推廣使用。 ANSYS 軟件的三大處理模塊 ANSYS 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 ANSYS 主要技術(shù)特點(diǎn) ANSYS 作為一個功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面 : ① .數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ANSYS 使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理，分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。 ② .強(qiáng)大的建模能力。 ANSYS 具備三維建模能力， GUI(圖形界面 )就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。 ③ .強(qiáng)大的求解功能。 ANSYS 提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。 ④ .強(qiáng)大的非線性分析功能。 ANSYS 具有強(qiáng)大的非線性分析功能， 可 進(jìn)行 幾 何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。 ⑤ .智能網(wǎng)格劃分。 ANSYS 具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動生成有限元網(wǎng)格。 ⑥ .良好的優(yōu)化功能。利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，用戶可以確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案 。利用 ANSYS 的拓?fù)鋬?yōu)化功能，用戶可以對模型 進(jìn)行外型優(yōu)化，尋求物體對材料的最佳利用。 的 設(shè)計(jì) 第 26 頁（共 56 頁） ⑦ .可實(shí)現(xiàn)多場藕合功能。 ANSYS 可以實(shí)現(xiàn)多物理場藕合分析，研究各物理場問的相互影響。 ⑧ .提供與其他程序接口。 ANSYS 提供了與多數(shù) CAD 軟件及有限元分析軟件的接口程序，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。 ⑨ .良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 ANSYS 開放式的結(jié)構(gòu)使用戶可以利用 APDL, UIDL 和UPFS 對其進(jìn)行一次開發(fā)。 儲罐人孔開孔接管區(qū)的應(yīng)力分析 人孔接管區(qū)應(yīng)力分析的必要性 化工裝備為了完成工藝過程必須設(shè)置接口，以便物料的流入和流出，同時(shí)為了便于檢測和檢修，需要設(shè)置壓力表、液位計(jì)、安全閥、人孔或手孔等，這使得壓力容器的必須進(jìn)行開孔接管。開孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，這時(shí)因?yàn)橐环矫骈_孔破壞了殼體材料的連續(xù)性，削弱了原有的承載面積，在開孔邊緣附近必然會造成應(yīng)力集中；另一方面接管的存在使開孔接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)，殼體與接管在內(nèi)壓作用下自由變形不一致，在變形協(xié)調(diào)過程中將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，同時(shí)接管和殼體是通過焊接連接在一起的，焊縫的結(jié)構(gòu)與尺寸如焊縫高度、過渡圓角等會形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，形 成局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力， JB47321995 對焊縫過渡圓角做了較為詳細(xì)的規(guī)定。下面將對液氨儲罐的人孔開孔接管區(qū)為代表進(jìn)行應(yīng)力分析。 相關(guān)數(shù)據(jù)和問題描述 由前一部分液氨儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得出： （ 1）該儲罐的人孔開孔區(qū)的尺寸和參數(shù)如下： 儲罐的筒體內(nèi)半徑 Rci=600mm, 筒體厚度 tc=10mm， 筒體長度 Lc=2030mm，接管外半徑 Rno=240mm，接管厚度 tn=10mm， 接管外半徑 Rno=240mm， 接管壁厚 10mm， 接管內(nèi)伸長度 Lni=50mm，接管外伸長度 Ln=200mm，焊縫外側(cè)過渡圓 角半徑rr1=30mm，焊縫內(nèi)側(cè)過渡圓角半徑 rr2=15mm，儲罐內(nèi)部壓力 Pi=。 （ 2）開孔接管區(qū)的材料屬性： 筒體材料 16MnR 鋼， 人孔接管材料 Q235—BF，兩者的彈性模量都為 ，泊松比 μ=。 （ 3）由上面的數(shù)據(jù)對儲罐的人孔開孔區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分析，具體分析過程見下文詳解。 液氨儲罐的應(yīng)力分析 第 27 頁 ( 共 56 頁 ) 分析問題 液氨儲罐在整體上具有前后和左右對稱性，由于僅考慮內(nèi)壓作用下的應(yīng)力狀況，為此有限元模型可利用結(jié)構(gòu)的對稱性取開孔接管區(qū)的 1/4建模。另外，為簡化建模，本分析只考慮液氨儲罐上的最大接管，即人 孔接管。 選擇 SOLID45 單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，對稱面施加對稱約束，接管的端部約束軸向位移，筒體端面施加軸向平衡面載荷 Pc，并按如下公式計(jì)算： 222)2( iei ic DtD pDp ??? 解決問題的思路 壓力容器開孔接管區(qū)的應(yīng)力分析為三維實(shí)體模型，應(yīng)使用三維建模對其進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)先按要求的參數(shù)建立三維實(shí)體模型，再根據(jù)模型的各部分尺寸，設(shè)定適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格參數(shù)，劃分出適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格以便于求解的準(zhǔn)確性。再對各對稱面施加對稱約束，對內(nèi)表面施加內(nèi)壓力進(jìn)行求解。 GUI 過程 （ 1）環(huán)境設(shè)置初始化變 量，輸入下表參數(shù)。 參 數(shù) 參數(shù)意義 參 數(shù) 參數(shù)意義 Rci=600mm 筒體內(nèi)半徑 Hmin=sqrt(Rci**2Rni**2) 接管最小內(nèi)伸長長度 tc=10mm 筒體厚度 Lni=50mm 接管內(nèi)伸長度 Rco=Rci+tc 筒體外半徑 Ln=200mm 接管外伸長度 Lc=2030mm 筒體長度 rr1=30mm 焊縫外側(cè)過渡圓角半徑 Rno=240mm 接管外半徑 rr2=15mm 焊縫內(nèi)側(cè)過渡圓角半徑 tn=10mm 接管厚度 Pi= MPa 內(nèi)壓 Rni=Rnotn 接管內(nèi)半徑 Pc=pi*Rci**2/(Rco**2Rci**2) 筒體端部軸向平衡面載荷 Pn=pi*Rni**2/(Rno**2Rni**2) 接管端部縱向平衡面載荷 （ 2）定義單元及材料 ① 定義單元類型：選擇 Structural Solid 選項(xiàng)中 Brick 8node 45 號單元。 ② 定義材料屬性：在彈性模量 EX=2e5，泊松比 PRXY=。 的 設(shè)計(jì) 第 28 頁（共 56 頁） （ 3）創(chuàng)建筒體與接管模型 液氨儲罐在整體上具有前后和左右對稱性，由于僅考慮內(nèi)壓作用下的應(yīng)力狀況，為此有限元模型可利用結(jié)構(gòu)的對稱性取 開孔接管區(qū)的 1/4建模。 1XYZ MAY 25 202115:37:14AREASTYPE NUM 1XYZ MAY 25 202112:47:15ELEMENTS 圖 儲罐建模圖 圖 網(wǎng)格劃分圖 （ 4）劃分單元 ① 分別對接管端部、外圓直角邊、內(nèi)接管邊、設(shè)定的剖分份數(shù)，然后組合連接相鄰面，劃分單元格后如圖，在下圖中可以看出筒體和接管都已經(jīng)被劃分網(wǎng)格，詳細(xì)的命令流將在論文后附命令流文件。 （ 5）施加約束與載荷 ① 筒體端面施加端面平衡面載荷：執(zhí)行 PressureOn Areas 命令 ,選中筒體端部編號為 3， 9 的兩個面，在對話框中的 Value 文本框中輸入 Pc。 在對稱 面施加對稱約束：選中 X=0 處的對稱面，選中 Areas， By Location， X coordinates，在 Min， Max 中輸入 0，再執(zhí)行 On Areas 命令，全選。 在 Z=Lc/2 對稱面上施加對稱面約束：重復(fù)步驟 2，設(shè)定 Areas， By Location， Z coordinates，在 Min， Max 中輸入 Lc/2，施加對稱約束。 約束接管端面軸向位移：選中 Areas， By Location， Y coordinates，在 Min， Max 中輸入 Ln+Rci+Tc，再執(zhí)行 On A