【化工設備仿真】ANSYS及其在壓力容器設計中的應用

2016-10-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 有限元方法及分析簡介

有限元方法的基礎是變分原理和加權余量法,其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元,在每個單元內,選擇一些合適的節點作為求解函數的插值點,將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數的節點值與所選用的插值函數組成的線性表達式,借助于變分原理或加權余量法,將微分方程離散求解。采用不同的權函數和插值函數形式,便構成不同的有限元方法。

有限元分析是對物理現象的模擬,是對真實情況的數值模擬,通過對分析對象劃分網格,求解有限個數值來模擬真實情況下的未知量。所以在對工程實際問題進行有限元分析的時候,首先必須對問題要有個完整的把握,同時應制定完善的分析方案,通常需要考慮的分析因素如下:

(1)分析領域:屬于靜力、動力,還是熱分析等?

(2)分析對象屬性:屬于線性還是非線性?

(3)幾何模型:3D還是2D,是否可以簡化?

(4)單元類型:板單元、梁單元還是實體單元等?

(5)材料特性:采用何種本構模型及材料參數等?

(6)網格密度:采用何種類型的劃分方法,效率與精度?

(7)載荷與約束:如何簡化?

(8)結構響應:想得到什么方面的數據和結果?

2 ANSYS簡介

計算機輔助工程技術(CAE)是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術,其核心技術是有限元理論和數值計算方法。作為現代產品設計中的高級CAE工具,ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,以其多物理場耦合分析的先進技術和理念,在工業領域和研究方向都有廣泛而深入的應用。ANSYS軟件由美國ANSYS公司(成立于1970年)開發,提供CATIA,UG,PRO/E等主流CAD軟件的數據接口。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型分析設計類軟件,是美國機械工程師協會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院十七個部委推廣使用。

3 ANSYS基本分析過程

按照有限元方法的計算過程,相應的,ANSYS分析應可分為如下三個步驟:

3.1 前處理(pre-processing)

前處理是指創建實體模型和有限元模型,它包括創建實體模型、定義單元屬性、劃分網格等幾個步驟。其中,創建實體模型是花費時間較多的工作,它可以在ANSYS環境中創建,也可以通過其他CAD軟件,如UG、ProE、Catia等導入。通過導入創建的實體模型,有時還需對其進行修正才能進行下一步的工作。不管采用什么方式創建的實體,都應綜合考慮其后續的網格劃分、載荷施加等方便性,盡量合理簡化,做到精度與效率的完美結合。

圖1 筒體四分之一等效建模(APDL)

3.2 求解(FEA solving)

包括施加載荷、設定約束條件、求解等幾個步驟。載荷施加應注意載荷的類型(力,速度,加速度,溫度等)和施加的位置及方向;約束條件,如3D分析中固定某個節點的六個自由度中的一個或幾個自由度,或者是限定自由度的變化范圍等;求解即求數學解方程組。

3.3 后處理(post-processing)

用以查看分析結果和驗證分析結果。ANSYS中后處理提供了多種信息的結果顯示,如在靜力學問題中,它提供了應力、應變的多方面信息,并且可以將應力分解成不同類型的應力(薄膜應力、彎曲應力、局部應力等)。

4 ANSYS Workbench簡介

Workbench是ANSYS公司開發的新一代協同仿真集成平臺,自ANSYS7.0開始,ANSYS公司推出了ANSYS經典版(Mechanical APDL)和ANSYS Workbench版兩個版本,并且目前均已開發至16.0版本。ANSYS Workbench的主要特點:利用項目視圖功能使整個仿真流程緊密地結合起來,便于協同管理;它具有與CAD軟件的雙向參數鏈接功能,具有多零件接觸的自動識別、接觸建模功能;可對復雜的模型進行高質量的網格處理;支持幾乎所有ANSYS的有限元分析功能;自帶可定制的工程材料數據庫,方便用戶進行編輯、應用;易學易用,在Windows系統下運行,界面友好,DesignModeler建模方式與多數CAD軟件相似,極大地提升了軟件的使用性能和集成性,方便學習和使用。

圖2 錐形過渡段前處理(Workbench)

5 ANSYS在壓力容器設計中的應用

5.1壓力容器的設計方法

壓力容器的設計方法主要有兩種。一是基于彈性失效準則的規則設計方法,我國GB150就是采用這種設計方法,它不需要對壓力容器各部位進行詳細的應力分析,而是通過結合經典力學理論和經驗公式,對壓力容器的部件作出一些諸如選材、安全系數、結構尺寸、加工制造要求等方面的要求;二是以彈性應力分析和塑性失效準則、彈塑性失效準則為基礎的分析設計方法,,對應于我國JB4732設計規范,其設計思想是進行容器設計時先進行詳細的應力分析,計算各種應力并進行分類,再按不同設計準則進行限制。

5.2 ANSYS在壓力容器設計中的應用

ANSYS作為一款有限元分析的工具,目前已廣泛應用于壓力容器應力分析過程,主要有:

(1)不連續區域應力分析,如筒體與封頭的連接處、開孔接管區等;

(2)穩定性及極限載荷分析,如受外壓筒體、接管支撐、結構承載力等;

(3)熱應力分析,如加氫反應器裙座支撐區等;

(4)外載荷傳遞分析,如接管承受彎矩和集中力作用等;

(5)接觸分析,如法蘭螺栓連接、密封墊回彈性能模擬等;

(6)模態響應譜分析,如塔器、儲罐承受風載、雪載、地震載荷等;

(7)耦合場分析,如對換熱器溫度場及機械載荷和熱載荷的分析等;

(8)結構可靠性和優化設計,如高壓球罐強度、塔設備裙座支撐區分析等;

(9)疲勞分析,如平板與筒體連接區的疲勞問題等。

6 總結