基于ANSYS软件鞍式支座应力分析.pdf

酒钢科技 2023 年第 4 期-66-摘要：本文针对卧式容器的鞍式支座，在三维制图软件中建立模型后，导入 ANSYS有限元分析软件，对承受压力容器整体重量分布载荷下的鞍式支座，在 ANSYS Workbench环境中进行受力分析，以有限元分析结果作为真实应力情况的近似解，得出鞍式支座在承受载荷和施加约束的情况下，所受最大应力与变形量，验证了鞍式支座应力分析中的准确性和安全性。关键词：压力容器；鞍式支座；有限元分析Stress Analysis on Saddle Support Based on ANSYS SoftwareWang Mingguo(Inspection and Detection Center of Jiuquan Iron and Steel(Group)Corporation,Jiayuguan,Gansu,735100)Abstract:Aiming at the saddle support of the horizontal vessel,after the model is established in the 3D drawing software,and import to the ANSYS finite element analysis software to analyze the stress of the saddle support under the overall weight distribution load of the pressure vessel in the ANSYS Workbench environment.The results of the finite element analysis are used as an approximate solution for the true stress situation,and the maximum stress and deformation that the saddle support bears under the load and constraints are obtained,and verify the accuracy and safety of stress analysis for saddle supports.Key words:pressure vessel;saddle support;finite elements analysis1 前 言ANSYS 软件是一款大型通用的有限元分析软件，Workbench 是 ANSYS 的一种运行环境，Workbench 分析环境分析的主要目的是解决传统CAE 软件在计算分析中存在的弊端，然后沟通ANSYS 有限元分析与相关产业相链接的渠道，使扩展后的 ANSYS Workbench 能在 CAE 分析环境中有效的获取数据资源，使它在分析计算中利益达到最大化。在过去的近几十年里，ANSYS 一直在对其功能有所改进，一直不断地研发出新的创新技术，更新出新的计算分析方法，在之后通过基于 ANSYS 软件鞍式支座应力分析王明国（酒钢集团检验检测中心，甘肃，嘉峪关，735100）酒钢科技 2023 年第 4 期-67-加入互相交换变量分析的计算方法，使其有效的减少了应力分析时间，而且结果准确，极大的简化了生成的模型结果，缩短了分析循环时间。在我国制定的 NB/T 47065.1-2018容器支座 第 1 部分：鞍式支座标准中，对鞍式支座各条件做出了明确规定，给出了鞍式支座的型式特征、系列参数及尺寸、材料、标记、制造技术要求及选用方法1。本文针对卧式容器的鞍式支座，通过建立鞍式支座三维模型，利用 ANSYS Workbench 进行了应力分析，通过云图得出应力最大处和变形量，验证了鞍式支座应力分析的准确性和安全性，保证鞍式支座符合结构要求，能够安全运行。2 鞍式支座2.1 鞍式支座的选用化工容器设备支座的作用是固定容器的位置和用来支撑设备。根据鞍式支座底板上螺栓孔形状将鞍座分为固定式支座（螺栓孔是圆形的）代号 F 和滑动式支座（螺栓孔是椭圆形的）代号 S；根据其承受的最大载荷分为轻型（A）和重型（B）两种类型，重型（B）按照制作方式、包角及附带垫板分为 B1-B5 五种类型，其中重型鞍式支座承载能力大，各块板的厚度都要厚于轻型鞍式支座，适用于换热器等大型设备。鞍式支座的材料大多数采用的是结构钢，材质为 Q235B，也可以选用其他耐压性材料，一般情况下鞍式支座的材料和压力容器主要受压元件用材是一致的。2.2 鞍式支座的结构及特点鞍式支座是石化容器中最常用的支座，对卧式容器可以有效地支撑筒体的重量，减小轴向力，减小筒体的振动幅度，并控制装备的轴向最大位移，具有结构承载力高，使用寿命长，设计制造容易，价格低廉等优点。其结构一般包括腹板、底板、筋板和垫板。腹板焊接在底板和垫板之间，底板用地脚螺栓固定放置于地基上，筋板焊接在底板。腹板和垫板的中间，一般为两块筋板，垫板在最上面用于承受压力容器2。各块板对鞍座有不同的强化作用，同时鞍式支座垫板的包角也对其承载能力有很大影响，为了保证其安放的稳定性，包角一般为 120 q 150之间。本文选用压力容器公称直径 DN2000mm，鞍式支座基本结构参数为 DN1000mmDN2000mm、120包角轻型带垫板鞍式支座，鞍座结构尺寸见图1。图 1 DN10002000mm、120包角轻型带垫板鞍座结构尺寸图酒钢科技 2023 年第 4 期-68-2.3 鞍式支座参数的确定鞍座的尺寸一般根据容器的直径来选择。当容器尺寸过大时，鞍座支撑标准中的的型式不能满足要求，需要重新按照标准设计鞍座，然后对它进行应力校核。本文采用的鞍式支座参数见表 1。3 载荷计算鞍式支座是承压设备的重要组成部分，它的主要受载部分在垫板上，筋板和腹板起支撑作用，底板在地基上受到固定约束2。本文只对鞍式支座底板施加约束和垫板承受分布载荷，未考虑鞍式支座自重和底板上地脚螺栓对分析结果的影响，也未对应力分析后的结果进行模拟优化，优化措施可以采取改变鞍式支座各板的尺寸，从而使得鞍座受力更均匀，减少应力集中。对鞍式支座载荷计算如下所示：已 知 鞍 式 支 座 允 许 载 荷 Q=340kN，质 量 m=194kg，垫 板 弧 长 为 2320mm，宽 260mm。所 以 鞍 式 支 座 垫 板 的 面 积 为：S=lb=2320260=603200mm2；鞍式支座垫板承受的载荷为：P=Q/S=340kN/603200mm2 0.564N/mm2；单位换算：0.564N/mm2=0.564MPa。即：鞍式支座的垫板承受的分布载荷为 0.564MPa。4 建立模型为了建立三维模型，可以使用一些三维软件，如 UG、Pro/E、Solid work 等，构建三维模型(.stp或.igs）并将其导入 ANSYS Workbench 中。本文使用 Auto CAD 2014 版创建鞍座模型，导出为三维模型（.sat），再导入到 ANSYS Workbench 中进行应力计算分析。建模主要采用拉伸的方法3。先建立鞍式支表 1 鞍式支座参数（mm）公称直径DN允许载荷Q/kN鞍座高度h底板筋板腹板垫板鞍座质量/kgl1b11l3b2b332b44e弧长2000340250142022012331190260810490101102320194座底板，然后在底板的基础上建立筋板，再由底板和筋板的基础上建立垫板的模型，垫板为曲面，最后在两个垫板一侧建立腹板，其高度为沿垫板重合的高度，把在垫板上面多余的部分修剪掉，得到完整的鞍式支座三维模型见图 2。5 有限元分析ANSYS Workbench 为有限元分析提供了强大的处理工具，它给 ANSYS 的求解带来了强大的功能，其自身具有装配体自动分析，自动网格划分，快捷的参数优化等工具，为用户带来极大的便利。目前，ANSYS 已经在很多领域取得了成功应用4。5.1 预定义在用 ANSYS 分析鞍式支座应力的时候，要定义螺栓连接的两种情况：如果不关心螺纹的压力，将螺纹连接处设置为绑定。螺母和部件的下端设置为无摩擦。如果摩擦力对结论分析会产生影响，则将其设置为图 2 鞍式支座三维模型酒钢科技 2023 年第 4 期-69-摩擦力。如果关注螺纹的受力情况，则需要对螺纹的网格进行详细的划分，并将接触设置为摩擦。本文中鞍式支座受到固定约束，不考虑地脚螺栓对鞍式支座应力分析的影响。5.2 定义材料属性定义鞍式支座的材料属性，本文鞍式支座采用碳素结构钢 Q235 制造,密度为 7.85g/cm3，屈服强度为 215MPa，弹性模量 2.0e5 MPa，泊松比=0.3。5.3 网格划分网格划分功能是程 CAE 中必不可少的一个步骤，本文对鞍式支座网格划分见图 3，方法采用 Mechanical，划分节点 Nodes=54453，单元Elements=10058，划分网格单元为六面体单元网格。5.4 施加载荷和约束对鞍式支座施加载荷和约束见图 4。鞍式支座在位置 A 处受到固定约束，在位置 B 处受到0.564MPa 的分布载荷。6 结 论所有前处理设置完成之后就可以对模型查看结果。计算完成之后选择查看模型的等效应力（Equivalent Stress）云图和总的变形量（Total Deformation）云图。变形量（Total Deformation）云图分析。通过位移云图，结构的最大位移为 2.3295mm，发生在结构的顶部位置，与实际情形相符。在其他位置，结构变形量很小，位移云图以蓝色和绿色为主。整体结构的最大位移较小，不会影响结构的正常运行，因此结构在此荷载工况下，能够安全稳定运行。等 效 应 力（Equivalent Stress）云 图 分析。通 过 应 力 云 图，结 构 最 大 Mises 应 力 为图 3 鞍式支座网格划分图 5 有限元分析云图图 4 鞍式支座施加约束和受载5.5 求解对鞍式支座进行受力分析并计算求解，得到有限元分析云图见图 5。备注：a-变形量（Total Deformation）云图；b-等效应力（Equivalent Stress）云图酒钢科技 2023 年第 4 期-70-参考文献1 容器支座 第 1 部分：鞍式支座 S.NB/T 47065.1-2018.2 曹天一.大型多鞍座卧式容器的分析计算 D.北京化工大学,2013.3 张永茂,王继荣.AutoCAD2014 中文版机械绘图实例教程 M.北京:机械工业出版社.2014.4 郝勇,钟礼东.ANSYS 15.0 有限元分析完全自学手册 M.北京:机械工业出版社.2015.5 单鹏华,王强,等.鞍座热应力的有限元分析 J.石油和化工设备,2017,04.作者简介:王明国（1997-）男，汉，青海民和人，助理工程师，2018 年毕业于青海大学过程装备与控制工程专业，现在酒钢集团检验检测中心主要从事压力容器定期检验、无损探伤工作，邮箱：。94.632MPa，发生在结构的圆角过渡位置，此数值远低于材料的屈服强度，因此结构足够安全。在结构的其他位置，应力云图以蓝色和绿色分布为主，大部分区域的 Mises 应力都比较小，说明在承受上述载荷的工况下，结构能够正常运行，不会发生破坏。对比验证分析。经过验证的相同或类似分析，相同或类似情况的实验验证，加上建模的合理简化和材料属性、单元选择、荷载和边界条件等选择和设置的合理选取，保证网格划分质量的前提下，在结果梯度大的位置适当细化网格，其他位置适当粗划网格，避免刚度矩阵奇异等低级错误，保证荷载与内力平衡，验证解的网格无关性，再加上用自己学到的有限元理论知识去判断，使用合适的求解器和计算方法来提取合适的结果，通过多人交叉检查，多次求解验证了鞍式支座有限元分析方法的准确性。上述计算结果表明，鞍座热应力计算合格，应力和变形都满足结构要求5，能够安全运行。