[精品資料]畢業(yè)設(shè)計(jì)資料_儲(chǔ)罐倒裝法施工提升過程中支撐片受力有限元分析

摘要隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)罐的需求量不斷增加。儲(chǔ)罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對(duì)于容量大于20,000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和角手架正裝法，中小容量的儲(chǔ)罐采用倒裝法。相對(duì)正裝法施工中的大量高空作業(yè)，倒裝法具有低空作業(yè)、操作方便、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。隨著儲(chǔ)罐向大型化發(fā)展，研發(fā)大型儲(chǔ)罐的倒裝施工工藝，已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。本文在全面回顧國內(nèi)外儲(chǔ)罐倒裝法施工工藝及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選擇倒裝法施工提升過程中，液壓提升所需要的支撐片為研究對(duì)象，采用ANSYS軟件建立儲(chǔ)罐焊接支撐片模型，并進(jìn)行有限元分析。主要分析在吊裝過程中支撐片的應(yīng)力分布，確定該焊接支撐片能否安全可靠確保施工質(zhì)量。得到該支撐片的應(yīng)力分布云圖，及應(yīng)力的最大位置。從圖中可以看出支撐片上應(yīng)力的分布是不均勻的，而且在焊縫周圍應(yīng)力很大。關(guān)鍵詞：儲(chǔ)罐倒裝法；支撐片；有限元分析AbstractWith the continuous development of Petrochemical industry，Ever-increasing demand for storage tank. Tank construction method is usually the main method is loaded and two flip-law, for a capacity of more than 20,000 cubic meters of floating roof tank, has been confined to the domestic water float angle is hand equipment and aircraft are fitted law, the use of small and medium-sized tank capacity inversion method. Construction equipment is a relatively large number of high-altitude operation, with a low flip-law operation, easy to operate, the advantages of high security. With the tank to the large-scale development of large storage tanks of the flip-construction process, has become an inevitable trend. In this paper, on the basis of a comprehensive review of domestic and foreign tank flip chip construction technology and the development of the status quo , choice of flip-law to enhance the process of construction, hydraulic lifting of the films required for study, using ANSYS software to support the establishment of tank welding chip model and finite element analysis carried out. The main analysis the support films stress distribution in the process of lifting, to determine whether the support films can to ensure the construction quality of secure and reliable.keywords: tank flip chip; support film; Finite Element Analysis23目 錄1緒論11.1研究意義11.2研究目的11.3研究現(xiàn)狀22理論基礎(chǔ)32.1大型儲(chǔ)罐發(fā)展概況32.210萬立方浮頂儲(chǔ)罐施工簡(jiǎn)介42.2.1概述42.2.2 施工方法42.3倒裝法施工工藝62.3.1 液壓提升原理及方法62.4有限元理論基礎(chǔ)82.4.1 有限元法的基本思想82.4.2 有限元法的分析過程82.4.3 有限元的優(yōu)越性82.5ANSYS軟件92.5.1 ANSYS的功能92.5.2 ANSYS的特點(diǎn)102.5.3 ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)103有限元分析133.1建立模型133.2劃分網(wǎng)格163.3施加約束與載荷183.4結(jié)果分析183.5結(jié)論21致 謝22參考文獻(xiàn)23儲(chǔ)罐倒裝法施工提升過程中支撐片受力有限元分析1 緒論1.1 研究意義隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)罐的需求量不斷增加。儲(chǔ)罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對(duì)于容量大于20,000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和腳手架正裝法，中小容量的儲(chǔ)罐采用倒裝法。倒裝法是目前大型儲(chǔ)罐安裝施工的常用方法，其工藝及配套設(shè)備有很多種，但其中最先進(jìn)、最可靠、最具生命力的當(dāng)屬倒裝法液壓提升技術(shù)1。大型儲(chǔ)罐倒裝法（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）用液壓提升施工成套技術(shù)是以SQD-160-100s.f松卡式千斤頂（承載力16t，液壓行程100mm）為主體配以不同型號(hào)的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)等配件，組成大型儲(chǔ)罐（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）液壓提升施工成套設(shè)備，可適用于大型儲(chǔ)罐（拱頂罐、浮頂罐和內(nèi)浮頂罐、鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）的提升施工。正裝法是自罐底向上逐層施工，最后裝上罐頂，這種方法必須進(jìn)行高空作業(yè)，而且全過程均需大噸位吊車配合施工，還需要搭設(shè)吊車或懸掛腳手架。倒裝法的施工順序是：罐底、罐頂、上層（第一層）壁板、逐層提升中間各層壁板、下層壁板。這種方法全部地面作業(yè)，不僅安全可靠、工效高、而且節(jié)省了吊車和腳手架費(fèi)用2。隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用與發(fā)展，使有限元分析軟件在工程應(yīng)用與分析中得到了廣泛的應(yīng)用，并且具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由以上可見，采用有限元進(jìn)行受力分析具有極大的潛在經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)機(jī)械工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有重大意義。1.2 研究目的有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段3。受力分析的研究方法大致可以分為兩類：實(shí)驗(yàn)法與科學(xué)分析法(即理論法)。完全采用工藝實(shí)驗(yàn)的方法研究結(jié)構(gòu)件受力情況，不但成本很高，而且周期也會(huì)很長，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力。而采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析與研究具有其他研究方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。本課題建立儲(chǔ)罐焊接支撐片模型，分析在吊裝過程中支撐片的應(yīng)力分布，確定該焊接支撐片能否安全可靠確保施工質(zhì)量。1.3 研究現(xiàn)狀目前的油罐越來越向大型化方向發(fā)展，因?yàn)閮?chǔ)油罐單罐容積越大，單位容積的鋼材耗用指標(biāo)越低，相同儲(chǔ)量的油庫成本越低，同時(shí)罐區(qū)總占地面積也越小，方便管理，可以降低總成本。1962年美國芝加哥橋梁公司首先建成10104m3浮頂油罐，直徑87米，高約21米；1964年殼牌石油公司在歐洲建成10104m3浮頂油罐；日本發(fā)展得比較晚，但是近年來迅速趕上，日本在1965年建成10104m3浮頂油罐，1971年建成16104m3浮頂油罐，直徑109米，高17.8米；沙特阿拉伯也已成功建造了20104m3浮頂油罐，其直徑高達(dá)110米，高22.5米4。 1985年中國從日本引進(jìn)第一臺(tái)10104m3浮頂油罐，到目前已經(jīng)建成10104m3大型浮頂油罐幾十臺(tái)。2003年在廣東茂名建成了12.5104m3罐，2004年在江蘇儀征建成了15104m3罐。這些大型罐的設(shè)計(jì)大多參照美國的API650標(biāo)準(zhǔn)或JIS B 8501標(biāo)準(zhǔn)。這類大型罐的設(shè)計(jì)，我國還處于起步階段，正在不斷摸索，有許多方面需要研究。保障油罐的安全是目前最重要的問題，目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不能絕對(duì)保證油罐的安全，還是有大量的油罐在地震、颶風(fēng)中發(fā)生破壞。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字計(jì)算方法的發(fā)展，有限元作為一種有效的計(jì)算分析工具，越來越廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域。目前許多人對(duì)油罐進(jìn)行過有限元分析，在這些分析中有些是采用三維實(shí)體單體進(jìn)行計(jì)算，有些則利用軸對(duì)稱有限元進(jìn)行計(jì)算。油罐罐壁上有許多開孔和接管，這些部位的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜，無法用一般的理論方法進(jìn)行求解，這就需要借助有限元這一工具。目前計(jì)算這些部位的應(yīng)力均采用三維有限元法或殼單元法。由于油罐直徑大，壁厚相對(duì)較薄，要?jiǎng)澐指哔|(zhì)量的三維實(shí)體網(wǎng)格需要較多的單元和節(jié)點(diǎn)，就需要高性能的計(jì)算機(jī)相助；而采用粗糙的網(wǎng)格，會(huì)降低計(jì)算的精度。如果采用殼單元進(jìn)行計(jì)算，由于殼單元本身就已經(jīng)做了一定的簡(jiǎn)化假設(shè)，無法準(zhǔn)確地計(jì)算壁板與補(bǔ)強(qiáng)板焊接處的應(yīng)力，具有一定的局限性。因此需要一種既不需要太大計(jì)算量，又有足夠計(jì)算精度的方法計(jì)算開孔部位的應(yīng)力5。2 理論基礎(chǔ)2.1 大型儲(chǔ)罐發(fā)展概況立式圓柱形儲(chǔ)液罐按罐頂型式可分為拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐等，儲(chǔ)存原油的大型儲(chǔ)油罐一般采用外浮頂油罐以減少成本。大型儲(chǔ)罐按照與地基連接型式的不同，可分為錨固罐和非錨固罐。儲(chǔ)罐底部與地基剛性連接稱為錨固儲(chǔ)罐；直接擺放在地基上的，稱為非錨固儲(chǔ)液罐。液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐、液化石油氣(LPG)儲(chǔ)罐等低溫罐多為錨固罐。而大型原油儲(chǔ)罐等常溫低壓罐，多為非錨固罐，直接擱置在地基上，以降低造價(jià)。小容積的儲(chǔ)油罐，通常直接放在經(jīng)平整夯實(shí)的地面上；大容積儲(chǔ)油罐，為防止過度不均勻沉降，通常采用帶混凝土圈梁的地基。這類儲(chǔ)罐內(nèi)部受液壓作用，從下往上液壓逐漸減小。遵循等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理念，通常采用不等壁厚的圓柱形筒節(jié)焊接而成，從下往上數(shù)，第一圈壁板厚度最大，往上依次減薄。實(shí)際上，油罐特別是空罐在風(fēng)壓的作用下很容易產(chǎn)生失穩(wěn)，因而罐壁不能太薄，各國標(biāo)準(zhǔn)中都有一個(gè)最小公稱厚度。目前我國建造的10萬立方米及以上油罐的最小公稱厚度12mm，與日本JIS B 8501標(biāo)準(zhǔn)一致。同時(shí)，為防止失穩(wěn)，油罐上部通常設(shè)置有抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈等。大型油罐的底板分為兩部分：邊緣板和中幅板。邊緣板與壁板相連，應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜，因此厚度較大，對(duì)材料的強(qiáng)度、韌性等有較高的要求，通常與底圈壁板材料相同。中幅板應(yīng)力較小，因此可以用一般的Q235-A，厚度較薄，但也有一個(gè)最小公稱厚度。在GB50341-2003中規(guī)定：當(dāng)罐內(nèi)徑Dl0m時(shí)中幅板厚度不得小于6mm。油罐地基中心沉降量較大，因此大型油罐罐底通常采用中心高四周低的正圓錐形結(jié)構(gòu)，即先給定一個(gè)預(yù)沉降量，保證在油罐的使用壽命內(nèi)罐中心始終高于罐四周，不會(huì)造成死油現(xiàn)象。施工時(shí)，對(duì)一般地基而言，其罐底坡度為15；對(duì)軟弱地基，其罐底坡度可以適當(dāng)提高，但是不得大于35?；A(chǔ)沉降基本穩(wěn)定后，錐面坡度86。大型原油儲(chǔ)罐通常采用外浮頂方式，即油罐的浮頂直接放于油面上，隨油品收發(fā)而上下浮動(dòng)，在浮頂與罐內(nèi)壁之間的環(huán)形空間有隨著浮頂上下的密封裝置。這類罐幾乎全部消滅了氣體空間，從而大大地減少了油品的蒸發(fā)損耗。浮頂罐有雙盤或單盤兩種結(jié)構(gòu)。一般來說，北方要考慮雪載荷，要求有較高的剛度，多采用雙盤結(jié)構(gòu)；而廣東等南方沿海地區(qū)雪載較小，可采用單盤結(jié)構(gòu)。與雙盤式浮頂相比，單盤式浮頂省材料，但容易腐蝕，維護(hù)費(fèi)用較高7。2.2 10萬立方浮頂儲(chǔ)罐施工簡(jiǎn)介2.2.1 概述10萬立方儲(chǔ)油罐為雙盤外浮頂結(jié)構(gòu)，主要組成部分為罐底、罐壁、雙盤外浮頂及附件。參數(shù)：設(shè)計(jì)容量100000m3，內(nèi)徑80000mm，高度為21800mm，儲(chǔ)存介質(zhì)為原油，設(shè)計(jì)壓力為常壓。罐底中幅板材質(zhì)為Q235-B，板厚12mm，罐底邊緣板材質(zhì)為12MnNiVR，板厚20mm。罐壁共計(jì)9圈，每圈由20張鋼板對(duì)接組成，頂部3圈材質(zhì)為16MnR，其余6圈材質(zhì)為12MnNiVR，板厚由上至下依次為12mm、12mm、12mm、12mm、14mm、18.5mm、21.5mm、28mm、32mm；罐壁總重781t。浮頂為雙盤結(jié)構(gòu)，由上盤板、下盤板、環(huán)形船艙和桁架所組成，板材材質(zhì)為Q235-B，板厚5mm，浮頂總重493t。圖2.1 大型儲(chǔ)罐總體結(jié)構(gòu)2.2.2 施工方法國內(nèi)外大型儲(chǔ)罐的施工方法主要有：正裝法、倒裝法。正裝法和倒裝法的不同之處僅在于罐壁的施工，顧名思義，正裝是由下到上，如同蓋房子，倒裝是由上到下。其中倒裝法又分為水浮倒裝法、抱桿倒裝法、氣頂?shù)寡b法、液壓提升倒裝法以及機(jī)械提升倒裝法等。1水浮倒裝法，是適用于大容量的浮船式金屬儲(chǔ)罐的施工，它是利用水的浮力和浮船罐頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給罐體組裝提供方便；2順裝法，順裝法與倒裝法相反，自下而上一層層的拼裝；3液壓頂升法（機(jī)械倒裝法），是倒裝法的一種形式；4抱桿倒裝法，同正裝法相反，從上到下進(jìn)行安裝；機(jī)械正裝法，將罐壁預(yù)先制成的整幅鋼板沿罐體設(shè)計(jì)的圓弧線展開，一邊展開，一邊焊接；5充氣升頂是罐壁倒裝法的另一種形式，它是利用鼓風(fēng)機(jī)向罐內(nèi)送入壓縮風(fēng)所產(chǎn)生的浮力使上部罐體，罐壁有多層板組裝而成，組裝順序與液壓倒裝頂升法相同8。常規(guī)施工10萬立方罐采用正裝法進(jìn)行，原理為：罐底施工完成后，施工最下面一層罐壁（第一圈，罐壁按從下至上順序依次為第一圈、第二圈、第八圈、第九圈），先整圈罐壁組對(duì)焊接后成為一個(gè)筒體，然后與罐底板組焊大角焊縫，之后在第一圈上安裝第二圈壁板，如同砌磚墻，逐層向上施工，直至最頂層。圖2.2 正裝法施工圖片倒裝法的主要優(yōu)點(diǎn)是減少了高空作業(yè)的工作量，從而節(jié)約腳手架材料，減少了高空作業(yè),也使工作效率提高，但各種倒裝法也各有優(yōu)缺點(diǎn)。（1）水浮倒裝法一般適用于外浮頂罐，此法是最早施工方法，目前很少采用；（2）機(jī)械提升倒裝法一般采用手拉葫蘆提升，體積在1000方左右的油罐也有采用立中心柱用卷揚(yáng)機(jī)提升的，因受提升重量和手工操作不均勻性的限制，一般僅適用于5000方以下的儲(chǔ)罐施工；（3）氣頂?shù)寡b法施工機(jī)械簡(jiǎn)單，相對(duì)來說施工費(fèi)用較低，但由于受其風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓限制，一般 5000方以下的儲(chǔ)罐的施工，不宜采用氣頂?shù)寡b法。從理論上說，儲(chǔ)罐體積越大，其單位面積分布的重量就越小，采用氣頂?shù)寡b法施工應(yīng)該越容易，但由于氣頂時(shí)其頂升速度需要人工控制，各方向的偏差需要人工調(diào)節(jié)，儲(chǔ)罐越大，需要參與調(diào)節(jié)的人手越多，互相的配合越困難，施工危險(xiǎn)性越大，因此，20000方以上的儲(chǔ)罐施工，也很少采用氣頂?shù)寡b法；（4）液壓提升倒裝法介于幾種施工方法之間，其特點(diǎn)一是適應(yīng)范圍廣，理論上可適用于任意大小的儲(chǔ)罐，二是操作控制簡(jiǎn)單、可靠、危險(xiǎn)性小，因此已經(jīng)越來越多的被采用，其主要缺點(diǎn)是目前成套設(shè)備價(jià)格較貴，設(shè)備購置一次性投入較大9。2.3 倒裝法施工工藝儲(chǔ)罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對(duì)于容量大于20000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和角手架正裝法，中小容量的儲(chǔ)罐采用倒裝法。相對(duì)正裝法施工中的大量高空作業(yè)，倒裝法具有低空作業(yè)、操作方便、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。隨著儲(chǔ)罐向大型化發(fā)展，研發(fā)大型儲(chǔ)罐的倒裝施工工藝，已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。倒裝法是目前大型儲(chǔ)罐安裝施工的常用方法，其工藝及配套設(shè)備有很多種，但其中最先進(jìn)、最可靠、最具生命力的當(dāng)數(shù)倒裝法液壓提升技術(shù)。該技術(shù)是北京中建建筑科學(xué)技術(shù)研究院（原中建一局科研所）于1993年研制成功的，并于當(dāng)年通過了中建總公司的技術(shù)鑒定，鑒定意見為：儲(chǔ)罐步進(jìn)液壓提升裝置為國內(nèi)首創(chuàng)，大型儲(chǔ)罐倒裝法用液壓提升裝置及工藝具有國際先進(jìn)水平。該技術(shù)1994年被列為建設(shè)部科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目；1995年又列為國家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。通過多年的推廣應(yīng)用已形成了“大型儲(chǔ)罐倒裝法液壓提升成套技術(shù)”、“橫跨雙樓通訊塔整體液壓提升施工技術(shù)”等施工技術(shù)10。大型儲(chǔ)罐倒裝法（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）用液壓提升施工成套技術(shù)是以千斤頂為主體，配以不同型號(hào)的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)等配件，組成大型儲(chǔ)罐（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）液壓提升施工成套設(shè)備，可適用于大型儲(chǔ)罐（拱頂罐、浮頂罐和內(nèi)浮頂罐、鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）的提升施工。2.3.1 液壓提升原理及方法1液壓提升原理利用液壓提升裝置（成套設(shè)備）均布于儲(chǔ)罐內(nèi)壁圓周處，先提升罐頂及罐體的上層（第一層）壁板，然后逐層組焊罐體的壁板。采用自鎖式液壓千斤頂和提升架、提升桿組成的液壓提升機(jī)，當(dāng)液壓千斤頂進(jìn)油時(shí)，通過其上卡頭卡緊并舉起提升桿和脹圈，從而帶動(dòng)罐體（包括罐頂）向上提升；當(dāng)千斤頂回油時(shí)，其上卡頭隨活塞桿回程，此時(shí)其下卡頭自動(dòng)卡緊提升桿不會(huì)下滑，千斤頂如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)使提升桿帶著罐體不斷上升，直到預(yù)定的高度（空出下一層板的高度）。當(dāng)下一層壁板對(duì)接組焊后，打開液壓千斤頂?shù)纳?、下松卡裝置，松開上下卡頭將提升桿以及脹圈下降到下一層壁板下部脹緊、焊好傳力筋板，再進(jìn)行提升11。如此反復(fù)，使已組焊好的罐體上升，直到最后一層壁板組焊完成，從而將整個(gè)儲(chǔ)罐安裝完畢。液壓控制系統(tǒng)拉桿桿液壓缸圖2.3 液壓提升系統(tǒng)2液壓提升方法在先期施工的罐底板上安裝數(shù)個(gè)固定墊墩(400mm高，間距3-4米), 然后組裝第一層壁板和頂蓋板，沿罐內(nèi)壁400mm處均布數(shù)臺(tái)（根據(jù)計(jì)算確定）液壓提升機(jī)，以提升機(jī)的滑動(dòng)托架托住固定在罐內(nèi)壁的脹圈下部，操縱液壓提升機(jī)的控制柜，集中控制各液壓機(jī)的動(dòng)作,液壓提升機(jī)提升脹圈時(shí)，同時(shí)也將罐體提升,升至下一圈壁板高度時(shí),可進(jìn)行一帶壁板組裝，然后落下扒桿、脹圈,再進(jìn)行下一帶提升組裝,直到整個(gè)油罐倒裝完畢12。2.4 有限元理論基礎(chǔ)2.4.1 有限元法的基本思想 求解數(shù)學(xué)問題通常有布兩種方法：解析-通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)求出精確解;數(shù)值法它是通過一定的算法，用計(jì)算機(jī)求近似解。在工程實(shí)際問題中，由于幾何形狀、材料特性和外部荷載的不規(guī)則性，使得邊值問題的求解十分困難，除少數(shù)簡(jiǎn)單的問題以外，一般都只能用數(shù)值法求解，所以數(shù)值法己成為不可替代的廣泛應(yīng)用的方法，并得到不斷的發(fā)展。 有限元法是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的一種數(shù)值近似計(jì)算分析方法，它是通過對(duì)連續(xù)問題進(jìn)行有限數(shù)目的單元離散來近似真實(shí)情況，是分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜問題的一種強(qiáng)有力的分析工具。有限元法的基本思想分為兩個(gè)方面:(1)離散將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程，以利于計(jì)算機(jī)求解.(2)分片插值針對(duì)每一個(gè)單元選擇插值函數(shù)，積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成，由于單元形狀簡(jiǎn)單，所以容易滿足邊界條件，可以得到收斂于實(shí)際的精確解13。2.4.2 有限元法的分析過程 (1)結(jié)構(gòu)的離散化：將結(jié)構(gòu)離散分割為有限個(gè)單元體來代替原來的結(jié)構(gòu)。 (2)單元分析：?jiǎn)卧治龅娜蝿?wù)是形成單元?jiǎng)偠染仃?。選擇位移模式：假定位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)，通常采用多項(xiàng)式。用結(jié)點(diǎn)位移表示單元內(nèi)任意點(diǎn)位移，由變分原理，建立單元上結(jié)點(diǎn)力與結(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系，即得單元的剛度矩陣。 (3)集合所有單元的平衡方程，建立整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡方程，集合結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣。 (4)載荷移置：即遵循能量等效原則，把各種外載轉(zhuǎn)換為節(jié)點(diǎn)載荷。(5)約束處理。只有施加了足夠的約束后才能求得惟一節(jié)點(diǎn)位移解。(6)求解線性方程組得節(jié)點(diǎn)位移，再解出單元應(yīng)力。(7)整理并輸出結(jié)果。(8)結(jié)果分析。2.4.3 有限元的優(yōu)越性(1)能夠分析形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于單元不限于均勻的規(guī)則網(wǎng)格，單元形狀有一定任意性，單元大小可以不同，且單元邊界可以是曲線或曲面，因此分析結(jié)構(gòu)可以具有非常復(fù)雜的形狀。(2)能夠處理復(fù)雜的邊界條件。(3)能夠保證規(guī)定的工程精度。當(dāng)單元尺寸減小或插值函數(shù)的階次增加時(shí)，有限元解收斂于實(shí)際問題的精確解。(4)能夠處理不同類型的材料。有限元法可用于各向同性、各向異性及復(fù)合材料等多種類型材料的分析。2.5 ANSYS軟件 ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件。該軟件融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和禍合場(chǎng)分析于一體，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用戶涵蓋了機(jī)械、航空航天、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(tái)。在國內(nèi)，ANSYS分析軟件第一個(gè)通過國家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)認(rèn)證14。有鑒于此，本文采用ANSYS10.0版本對(duì)結(jié)構(gòu)作了分析計(jì)算。2.5.1 ANSYS的功能可以用ANSYS完成的功能如下：(1)建立計(jì)算模型或者輸入結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品、組件或系統(tǒng)的CAD模型；(2)應(yīng)用施加載荷或者其它設(shè)計(jì)條件；(3)研究模型的物理響應(yīng)，如應(yīng)力水平、溫度分布或者電磁場(chǎng)等；(4)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低產(chǎn)品的費(fèi)用；(5)做數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。 ANSYS包括100多個(gè)單元，提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析功能，可以將其應(yīng)用到如下學(xué)科:(1)結(jié)構(gòu)分析(2)熱分析(3)高度非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析(ANSYS / LS-DYNA )(4)流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析(FLOTRAN ) (5)電磁場(chǎng)分析(6)聲學(xué)分析 (7)壓電分析(8)多場(chǎng)禍合分析(9)設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析 ANSYS的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能允許優(yōu)化任何方面的設(shè)計(jì)變量和約束變量，如形狀、應(yīng)力、自然頻率、重量、費(fèi)用、溫度、磁勢(shì)、壓力、速度或離散量等，可進(jìn)行參數(shù)、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化。2.5.2 ANSYS的特點(diǎn) ANSYS的如下特點(diǎn)使得其在有限元分析軟件中具有領(lǐng)先地位。(1)唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)禍合分析功能的軟件。用戶不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些類型的相互影響研究。例如：熱-結(jié)構(gòu)禍合，磁-結(jié)構(gòu)禍合以及電-磁-流體-熱禍合等。(2)唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件。(3)唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件。(4)具有強(qiáng)大的非線性分析功能。(5)多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。(6)支持從微機(jī)、工作站到巨型機(jī)的所有硬件平臺(tái)，以及所有平臺(tái)之間的并行計(jì)算。(7)支持異種、異構(gòu)平合的網(wǎng)格浮動(dòng)、在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。(8)多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。(9)可與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口。應(yīng)用ANSYS提供的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下主成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS中，并對(duì)其分網(wǎng)求解。這樣就不必因?yàn)樵诜治鱿到y(tǒng)中重新建立模型浪費(fèi)時(shí)間。(10)多層次多框架的產(chǎn)品系列。產(chǎn)品系列由一整套可擴(kuò)展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行業(yè)的工程需要。也因此，用戶只需要購買自己需要的模塊即可，從而節(jié)約費(fèi)用15。2.5.3 ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。處理模塊提供了一個(gè)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(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的藕合分析，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(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)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。 1.前處理模塊PREP7 這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分 (1)實(shí)體建模ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。(2)網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對(duì)各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。2.求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。ANSYS軟件提供的分析類型包括:結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的禍合分析。求解階段是計(jì)算機(jī)在內(nèi)部完成矩陣計(jì)算求計(jì)算結(jié)果的過程。一般用戶不能干預(yù)這一過程，計(jì)算機(jī)程序會(huì)一直計(jì)算直到得出最終結(jié)果，并保存在數(shù)據(jù)庫中。但是當(dāng)結(jié)構(gòu)模型有嚴(yán)重錯(cuò)誤，例如有與整體結(jié)構(gòu)分離的單元、節(jié)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)提示相應(yīng)的錯(cuò)誤信息，并停止計(jì)算。用戶可以根據(jù)提示對(duì)模型做出相應(yīng)的修改。ANSYS的求解器提供了多種求解方法。用戶可針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型，不同的模型規(guī)模及精度選擇不同的方法或者多種方法的組合。3.后處理模塊POST1和POST26ANSYS軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分:通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。(1)通用后處理模塊POST1這個(gè)模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果(如應(yīng)力)在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值(如應(yīng)力值)。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)(如應(yīng)力范圍)，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。(2)時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支座反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算。3 有限元分析3.1 建立模型國內(nèi)外近幾十年所做的有限元分析，儲(chǔ)罐支撐片是儲(chǔ)罐倒裝過程中比較關(guān)鍵的受力部位，也是分析設(shè)計(jì)者普遍關(guān)注的應(yīng)力集中區(qū)域，有限元法是解決這一區(qū)域應(yīng)力分布的有效方法。但為了分析結(jié)果正確，必須建立正確的模型。對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化方法大致可分為以下幾個(gè)方面： (1)結(jié)構(gòu)類型簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu)形狀、載荷和約束條件的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)類型可以分為空間問題、平面問題、板殼問題和桿件問題，其中平面問題的幾何模型是二維模型，在平面上劃分網(wǎng)格要容易得多，單元數(shù)量也少得多。因此，將空間問題作適當(dāng)降維，使其按平面問題來處理可使分析過程大為簡(jiǎn)化。 (2)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是結(jié)構(gòu)中尺寸相對(duì)很小的局部，如小的開口等。建立幾何模型時(shí)可盡量忽略一些不必要的細(xì)節(jié)。在靜力分析中，高應(yīng)力區(qū)域中的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)會(huì)引起應(yīng)力集中，這些細(xì)節(jié)不能忽略，而處于低應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)一般可以忽略。 (3)變換結(jié)構(gòu)的形式 常見的結(jié)構(gòu)形式是帶肋骨加強(qiáng)的平板結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)有時(shí)形狀很復(fù)雜，建模費(fèi)時(shí)且劃分網(wǎng)格困難，因此在有限元分析時(shí)，通常將其結(jié)構(gòu)形式作適當(dāng)變換，使網(wǎng)格劃分變得容易，劃分出的單元更少。常用的結(jié)構(gòu)變換方法是等剛度變換，即將肋骨剛度等效為與之相連的板的剛度。等剛變換有兩種方式:一是不改變平板厚度，而增加板材料的彈性模量，二是保持板的材料特性不變，而增加板的厚度。 (4)局部結(jié)構(gòu) 對(duì)有些結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，若取整個(gè)結(jié)構(gòu)建立模型，則會(huì)造成大量不必要的建模工作和計(jì)算量，因此可以只劃取結(jié)構(gòu)中受力最嚴(yán)重、應(yīng)力和變形量最大的危險(xiǎn)區(qū)域建立局部模型，同時(shí)也可以對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行詳細(xì)的網(wǎng)格劃分，從而達(dá)到提高計(jì)算精度的目的。 (5)利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 當(dāng)結(jié)構(gòu)的形狀、載荷、約束條件以及材料和物理特性具有某種對(duì)稱性時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形也呈相應(yīng)的對(duì)稱分布。分析這類結(jié)構(gòu)時(shí)，可以只劃取結(jié)構(gòu)的若干分之一進(jìn)行計(jì)算，劃分邊界就是對(duì)稱面。 儲(chǔ)罐第九圈（即最下面一圈）外徑為80032mm，內(nèi)徑為80000mm；支撐片長寬高分別為25mm,15mm,40mm：材料為12MnNiVR。通過分析知道，儲(chǔ)罐最后一圈的支撐片受力最大，因此為了更接近實(shí)際及建模方便，只對(duì)儲(chǔ)罐最后一圈及支撐片進(jìn)行建模。不同的分析類型需要不同的材料性能參數(shù)，假設(shè)儲(chǔ)罐和支撐片皆在線彈性范圍內(nèi)工作，因此需要定義材料的彈性模量，泊松比。 為了研究簡(jiǎn)便，常把與問題無關(guān)或影響不大的次要因素忽略，僅保留主要因素，把問題抽象化，再進(jìn)行分析研究。本文在建模過程中作如下幾個(gè)基本假設(shè)。 (1)同質(zhì)材料 組成支撐片各區(qū)域中的每個(gè)金屬晶粒的力學(xué)性能并不完全相同，但在各區(qū)域包含了無數(shù)晶粒，而且它們是無規(guī)則的排列著，在宏觀領(lǐng)域內(nèi)，其力學(xué)性能是各晶粒力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)平均值，所以可認(rèn)為各區(qū)域的性質(zhì)相同，屬于同質(zhì)材料。 (2)各向同性 就金屬單一晶粒而言，不同方向的力學(xué)性能是不同的，但支撐片晶粒極多且又雜亂無章地排列著，從而導(dǎo)致各方向的性能就接近相同了，所以說，本文中支撐片材料參數(shù)均為各向同性。 (3)不考慮殘余應(yīng)力的影響 支撐片所受應(yīng)力本應(yīng)該是外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力和殘余應(yīng)力之和，但由于鋼管冷加工和焊接的影響，殘余應(yīng)力在一定程度上得到釋放，且殘余應(yīng)力分布十分復(fù)雜，本文主要研究焊接鋼管的T型接點(diǎn)的應(yīng)力分布，因此在有限元分析時(shí)不考慮殘余應(yīng)力的作用。 本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立儲(chǔ)罐支撐片模型，每一層罐壁有120個(gè)焊接支撐片，如圖3.1所示圖3.1 儲(chǔ)罐支撐片模型圖3.2支撐片放大圖3.2 劃分網(wǎng)格在用有限元對(duì)支撐片進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，用實(shí)體單元建立模型，本文所關(guān)心的問題是支撐片的應(yīng)力分布與最大應(yīng)力的位置。本文選用Solid45單元，采用自由格劃分的方法。Solid45單元是一個(gè)3維8節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，Solid45具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過不同的CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型）。單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著X、Y、Z方向平移的自由度。 Solid45可以具有任意的空間各向異性，單元支持塑性，超彈性, 蠕變，應(yīng)力鋼化，大變形和大應(yīng)變能力.還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。有不同的輸出選項(xiàng)可用。Solid45單元示意圖如圖3.4。由于儲(chǔ)罐尺寸很大，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高。因此，截取模型中的五度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3.5、3.6，其上有一個(gè)支撐片。通過對(duì)此支撐片的受力分析，可知其他支撐片的應(yīng)力分布狀態(tài)。圖3.3 Solid45單元示意圖圖3.4 支撐片網(wǎng)格劃分放大圖圖3.5 帶支撐片的儲(chǔ)罐網(wǎng)格劃分左視圖3.3 施加約束與載荷本文主要研究儲(chǔ)罐倒裝提升過程中支撐片的應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力的分布，從而確定支撐片能否確保施工質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。倒裝法是利用液壓機(jī)將最下面一層壁板提升，在這個(gè)過程中，支撐片需要承受已焊接好的壁板重量，每提升一層，支撐片所受的力相應(yīng)增加。因此可以知道，當(dāng)安裝最后一層時(shí)，支撐片受力最大，即整個(gè)儲(chǔ)罐的總重781噸。通過計(jì)算得知，每個(gè)支撐片受到的壓強(qiáng)為169.87Mpa。3.4 結(jié)果分析本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)施加了載荷后的模型進(jìn)行分析，得到了模型的應(yīng)力彩色云圖以及從各個(gè)坐標(biāo)軸上看的應(yīng)力云圖，從而可以得出構(gòu)件上各位置的應(yīng)力分布、構(gòu)件的最大應(yīng)力位置，從而可以確定構(gòu)件的危險(xiǎn)部位。對(duì)構(gòu)件的危險(xiǎn)部位進(jìn)行特別監(jiān)控與采取其他措施構(gòu)件能夠安全運(yùn)行。圖3.6、圖3.7、圖3.8、圖3.9、圖3.10分別為支撐片模型的應(yīng)力云圖、支撐片放大圖、X方向應(yīng)力云圖、Y方向應(yīng)力云圖、Z方向應(yīng)力云圖。紅色部分