【化工设备仿真】ANSYS及其在压力容器设计中的应用

2016-10-23 by:CAE仿真在线来源:互联网

1 有限元方法及分析简介

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法,其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式,便构成不同的有限元方法。

有限元分析是对物理现象的模拟,是对真实情况的数值模拟,通过对分析对象划分网格,求解有限个数值来模拟真实情况下的未知量。所以在对工程实际问题进行有限元分析的时候,首先必须对问题要有个完整的把握,同时应制定完善的分析方案,通常需要考虑的分析因素如下:

(1)分析领域:属于静力、动力,还是热分析等?

(2)分析对象属性:属于线性还是非线性?

(3)几何模型:3D还是2D,是否可以简化?

(4)单元类型:板单元、梁单元还是实体单元等?

(5)材料特性:采用何种本构模型及材料参数等?

(6)网格密度:采用何种类型的划分方法,效率与精度?

(7)载荷与约束:如何简化?

(8)结构响应:想得到什么方面的数据和结果?

2 ANSYS简介

计算机辅助工程技术(CAE)是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术,其核心技术是有限元理论和数值计算方法。作为现代产品设计中的高级CAE工具,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,以其多物理场耦合分析的先进技术和理念,在工业领域和研究方向都有广泛而深入的应用。ANSYS软件由美国ANSYS公司(成立于1970年)开发,提供CATIA,UG,PRO/E等主流CAD软件的数据接口。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件,是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。

3 ANSYS基本分析过程

按照有限元方法的计算过程,相应的,ANSYS分析应可分为如下三个步骤:

3.1 前处理(pre-processing)

前处理是指创建实体模型和有限元模型,它包括创建实体模型、定义单元属性、划分网格等几个步骤。其中,创建实体模型是花费时间较多的工作,它可以在ANSYS环境中创建,也可以通过其他CAD软件,如UG、ProE、Catia等导入。通过导入创建的实体模型,有时还需对其进行修正才能进行下一步的工作。不管采用什么方式创建的实体,都应综合考虑其后续的网格划分、载荷施加等方便性,尽量合理简化,做到精度与效率的完美结合。

图1 筒体四分之一等效建模(APDL)

3.2 求解(FEA solving)

包括施加载荷、设定约束条件、求解等几个步骤。载荷施加应注意载荷的类型(力,速度,加速度,温度等)和施加的位置及方向;约束条件,如3D分析中固定某个节点的六个自由度中的一个或几个自由度,或者是限定自由度的变化范围等;求解即求数学解方程组。

3.3 后处理(post-processing)

用以查看分析结果和验证分析结果。ANSYS中后处理提供了多种信息的结果显示,如在静力学问题中,它提供了应力、应变的多方面信息,并且可以将应力分解成不同类型的应力(薄膜应力、弯曲应力、局部应力等)。

4 ANSYS Workbench简介

Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真集成平台,自ANSYS7.0开始,ANSYS公司推出了ANSYS经典版(Mechanical APDL)和ANSYS Workbench版两个版本,并且目前均已开发至16.0版本。ANSYS Workbench的主要特点:利用项目视图功能使整个仿真流程紧密地结合起来,便于协同管理;它具有与CAD软件的双向参数链接功能,具有多零件接触的自动识别、接触建模功能;可对复杂的模型进行高质量的网格处理;支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能;自带可定制的工程材料数据库,方便用户进行编辑、应用;易学易用,在Windows系统下运行,界面友好,DesignModeler建模方式与多数CAD软件相似,极大地提升了软件的使用性能和集成性,方便学习和使用。

图2 锥形过渡段前处理(Workbench)

5 ANSYS在压力容器设计中的应用

5.1压力容器的设计方法

压力容器的设计方法主要有两种。一是基于弹性失效准则的规则设计方法,我国GB150就是采用这种设计方法,它不需要对压力容器各部位进行详细的应力分析,而是通过结合经典力学理论和经验公式,对压力容器的部件作出一些诸如选材、安全系数、结构尺寸、加工制造要求等方面的要求;二是以弹性应力分析和塑性失效准则、弹塑性失效准则为基础的分析设计方法,,对应于我国JB4732设计规范,其设计思想是进行容器设计时先进行详细的应力分析,计算各种应力并进行分类,再按不同设计准则进行限制。

5.2 ANSYS在压力容器设计中的应用

ANSYS作为一款有限元分析的工具,目前已广泛应用于压力容器应力分析过程,主要有:

(1)不连续区域应力分析,如筒体与封头的连接处、开孔接管区等;

(2)稳定性及极限载荷分析,如受外压筒体、接管支撑、结构承载力等;

(3)热应力分析,如加氢反应器裙座支撑区等;

(4)外载荷传递分析,如接管承受弯矩和集中力作用等;

(5)接触分析,如法兰螺栓连接、密封垫回弹性能模拟等;

(6)模态响应谱分析,如塔器、储罐承受风载、雪载、地震载荷等;

(7)耦合场分析,如对换热器温度场及机械载荷和热载荷的分析等;

(8)结构可靠性和优化设计,如高压球罐强度、塔设备裙座支撑区分析等;

(9)疲劳分析,如平板与筒体连接区的疲劳问题等。

6 总结