基于有限元的卧式过滤罐结构失稳分析

杨 平，曲周德，李 敏

（天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

基于有限元的卧式过滤罐结构失稳分析

杨 平，曲周德，李 敏

（天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

针对某企业的卧式过滤罐在使用过程中存在失稳、导致腿式支座横梁断裂的问题，利用Creo软件建立该结构的有限元模型，运用Ansys软件对工作过程中卧式结构过滤罐进行有限元模拟仿真，分析罐体、支座的应力与变形，探究其结构失稳的原因，并提出具体的改进方案。

卧式过滤罐；结构失稳；有限元分析

近年来，随着计算机运算速率不断提升，数值仿真技术在生产实践中的应用成为可能，其有限元仿真技术的应用尤为广泛。有限元仿真技术的核心是有限单元法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限且按一定方式相互连接在一起的单元组合体。有限单元能按照不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以对复杂的模型进行求解[1-3]。将有限元方法应用到卧式过滤罐的设计中，能够直观了解卧式过滤罐各处的应力分布状态和位移，从而为设计人员了解该种罐体结构的强度和刚度等力学性能、探究其失稳的原因以及改进结构提供参考。

1 问题概述

一般容器设计可参考GB/T 150.1—2011《压力容器》与GB/T 4731-2005《钢制卧式容器》标准[4-5]。常见过滤罐为立式过滤罐，具有较为成熟的设计案，且在实际生产中得到了广泛的应用，但立式过滤罐有效过滤面积较小，而卧式过滤罐可弥补其不足。近年来，卧式过滤罐得到推广应用，随着过滤罐的大型化，多支座卧式容器就得到了普及[7-8]。某企业借鉴一般过滤罐设计准则与GB 4712.1～4712.4—2007《容器支座》[9]标准设计8支座卧式过滤罐，如图1所示。该种卧式过滤罐在运行过程中发生结构失稳，导致腿式支座横梁断裂（见图2），故需提出修改方案。

该种容器结构复杂，尺寸变化大，承受内压、重力、液柱静压力、风载荷、地震载荷和温差载荷等多种载荷作用，按常规设计方法计算困难，而采用有限元法对该种罐体进行应力分析设计和强度校核较为理想。本文利用有限元方法分析计算横式过滤罐应力和变形分布云图，探究其因强度、刚度不足导致过滤罐失稳的问题。

图1 卧式过滤罐结构简图

图2 腿式支座横梁断裂示意图

2 过滤罐结构参数确定

本研究对象为8脚支座卧式过滤罐，该过滤罐主要由8对脚支座、罐体及滤板组成，结构参数如表1所示。该卧式过滤罐净重20 t，内部容积82 m3，填装过滤砂，运行过程，水和过滤砂的质量按照90 t计入，设备中质量110 t，考虑到压降、地震力等安全因素，作用在滤板上载荷约为1 200 kN。材料Q345力学性能如表2所示。根据TSGR0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，罐体与支座材料在设计温度下的许用应力强度如表3所示。

表1 过滤罐结构参数

表2 Q345R材料力学性能

表3 过滤罐设计应力强度

3 有限元模型建立

利用Creo parametric软件[10]建立卧式过滤罐有限元模型，忽略焊缝对过滤罐结构、强度的影响，将支座、罐体和滤板看作一体，忽略其他结构。过滤罐主要承载部分为滤板，为减少单元数目，可忽略滤板上所有滤孔和部分罐体结构。在该结构滤板上添加沿竖直向下的均布载荷1 200 kN，腿式支座底部添加全约束边界条件，如图3所示，图中三角形处施加全约束。

图3 简化几何模型

该模型关于yz平面对称，为减少单元数目及节约计算时间，可取其一半进行有限元分析，划分单元数目为190 115个、节点数目为360 310个。滤板上添加沿竖直向下均布载荷600 kN，腿式支座底部均施加全约束，yz对称面上添加面对称约束。

4 计算分析

经Ansys软件运行约2 h，求解得出卧式过滤罐在该工况下应力、位移变形的等效云图，并标出最大应力、位移变形所在的位置。过滤罐上应力分布如图4、图5所示。从图可知：卧式过滤罐最大等效应力出现在腿式支座横梁与支撑板连接处，最大等效应力为1 459.4 MPa；滤板上最大等效应力为145.34 MPa，滤板与罐体连接处最大应力为264.64 MPa。Q345材料屈服强度为345 MPa，在该边界条件下：滤板、滤板与罐体连接处均满足该种材料强度要求，横梁与支撑板焊接处远远超过了该种材料强度要求，故在实际生产过程中横梁与支撑板处发生不可修复性损伤，发生如图2所示的断裂。

从强度角度分析该横式过滤罐失稳原因：该种过滤罐主要由腿式支座立柱承载罐体重量，横梁支撑板并不能有效地分担罐体重量，添加横梁支撑板，不仅不能有效分担罐体重量，反而因横梁过约束产生局部应力集中，导致横梁断裂，造成设备不可修复破坏，故建议去除支撑板。

图4 过滤罐应力云图

图5 腿式支座应力云图

由于计算的有限元模型关于xy平面对称，如图3所示，可取其对称一半进行结构刚度分析。图6为过滤罐位移云图。由图6可知：过滤罐上最大等效位移变形出现在滤板上面，最大等效位移约为39.399 mm；罐体上最大等效位移约为23.748 mm，腿式支座横梁上最大等效位移约为23.79 mm。在该工况下，滤板、罐体位移量均超过该设备的最大变形挠度，不能满足设备刚度要求。可见，该设备在使用过程中，由于在滤板上存在较大横向力，直接导致滤板塌陷、腿式支座立柱发生严重横向位移变形，造成滤板、罐体内部防腐漆脱落，腿式支座存在应力集中，直接影响设备的使用寿命。图7为过滤罐Y向位移云图，由图7可知：罐体上最大Y向等效位移变形位于滤板上面，最大等效Y向位移变形为39.399 mm，罐体与支座横梁上最大Y向等效位移变形均为25.239 mm。可见在卧式过滤罐工作过程中，滤板有向下塌陷、罐体底部有向上拱起的趋势。

图6 过滤罐位移云图

图7 过滤罐Y向位移云图

从刚度角度分析过滤罐失稳原因可知：滤板横向欠约束，导致滤板与罐体接触部分产生较大横向位移变形，滤板向下塌陷，腿式支座立柱会产生严重横向变形位移。由此造成的破坏有：滤板向下塌陷，罐体底部会向上拱起，导致滤板、罐体防腐层脱落，使其遭到腐蚀，腿式支座横向变形会使腿式支座横梁上产生较大应力，引起强度不足的问题。滤板欠约束不仅会导致横式过滤罐存在刚度不足问题，还会间接影响设备强度性能，建议可在滤板焊接拉板结构，防止滤板发生较大横向变形，避免过滤罐发生失稳破坏。

5结论

（1）从强度角度来看，过滤罐最大应力超过材料屈服极限，必将导致过滤罐横梁断裂失稳。由于横梁增加支撑板不仅不能有效地分担罐体重量，反而因其过约束导致横梁断裂，故可去除支撑板，解决过滤罐强度不足问题。

（2）从刚度角度来看，过滤罐上位移变形过大，过滤罐结构发生较大变形。由于滤板欠约束，导致滤板、罐体防腐层脱落，使其遭到腐蚀；腿式支座横向变形会使腿式支座横梁上产生较大应力。可在滤板与罐体连接位置焊接8条拉板，解决过滤罐刚度不足的问题。

（3）由于卧式过滤罐存在以上缺陷导致结构失稳，故在改进该种过滤罐结构时，可去除腿式支座横梁上支撑板，从而避免因过约束导致横梁断裂，在滤板与罐体连接处焊接拉板，从而避免因欠约束导致该结构发生大挠度变形。

［1］ 龚曙光．ANSYS基础应用范例解析［M］．北京：机械工业出版社，2003．

［2］ 张洪才，何波．有限元分析－ANSYS13.0从入门到实践［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［3］ 张朝晖．ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析［M］．北京：机械工业出版社，2010．

［4］ 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会．GB/T150.1—2011压力容器［S］．北京：中国标准出版社，2011．

［5］ 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会．GB/T4731—2005钢制卧式容器［S］．北京：中国标准出版社，2005．

［6］ 刘英林，赵军，孟令岩．大型氧化反应器的有限元分析［J］．压力容器，2013，30（5）：54-58．

［7］ 黄铭．多支座卧式容器的受力分析和强度计算［J］．化工设备设计，1998，35（5）：18-22．

［8］ 谭蔚，张晋军，朱雨峰．多支座卧式容器应力计算方法的分析［J］．压力容器，2004，9（21）：13-16．

［9］ 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委会．GB4712.1～4712.4—2007容器支座［S］．北京：中国标准出版社，2007．

［10］詹友刚.Creo1.0高级应用教程［M］．北京：机械工业出版社，2012．

Structure instability field of horizontal filtering tank based on finite element method

YANG Ping，QU Zhou-de，LI Min
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

As to the instability of horizontal filter tank of an enterprise，which causes the support leg beam fracture phenomenon，the finite element model is used by using Creo software.The horizontal structure of filter tank on the working process of ANSYS software is used to realize finite element simulation，and to analyze the stress and deformation of tank body，bearing，and inquiry because of the lack of strength and rigidity，which causes loss of filter tank structure.Some suggestions are proposed to improve the horizontal filtering tank strength，to meet the stiffness requirements in the production process，and to avoid the loss caused by the loss of stability of the structure of enterprise.

horizontal filtering tank；structural instability；finite element analysis

TQ051.85

A

2095－0926（2015）01－0014－04

2014-12-29

国家自然科学基金资助项目（51301121）；天津职业技术师范大学研究生创新基金资助项目（YC201306）.

杨 平（1988—），男，硕士研究生；曲周德（1973—），男，教授，硕士生导师，研究方向为塑性加工新技术及模拟技术.