球罐支柱与球壳连接处强度的有限元分析

张北记 周浩（北京华福工程有限公司天津分公司，天津300222）

球罐支柱与球壳连接处强度的有限元分析

张北记 周浩（北京华福工程有限公司天津分公司，天津300222）

本文研究针对球罐支柱与球壳连接处的强度展开，综合有限元网格处理难度较大的现状，可采用有限元前后处理软件（HyperMesh6.0）获取高质量的结构模拟网格划分。在相关的测试层面，符合有限元模型的分析软件中ANSYS8.0应用较为广泛且在模拟水压工况中效果突出，同时结合当前我国在球罐支柱以及球壳方面的应力测试内容，电测法的数据也是有很好的参考价值的；通过建模及测量，计算结果表明了水压试验工况下测试对象球罐的最大应力点是支柱盖板和球壳的连接位置，即壳体外壁部分。

球罐支柱；球壳连接；有限元分析，强度分析

球罐是重要的现代化生产存储设备，结合我国现状来说，在球罐设计的过程中往往倾向于常规的设计方法，对通用标准的执行过于严苛。设计者只考虑单一情况下的最大载荷工况，并在制造过程中按照一次最大加载能力处理；理论上说，这种极限许用应力的安全性很突出，并且所设定的安全系数也比较大，造成一定程度的大材小用，消耗过多的资源和成本。而采取分析设计的方法，对球罐部分锁承受的应力进行分类、分析，并按照不同的强度等级进行整理，这样可以在保障球罐安全的同时，减少由于内部介质压力波动所造成的金属疲劳；一般而言，利用分析设计法可以减少20%～30%的材料消耗，在球罐发展逐渐大型化的趋势下，对企业成本节约具有重要意义。

1　软件建模及网格质量综述

在球罐应力分析中基于有限元分析的策略展开在国内是一种较为常见的方法，但由于需要进行划分网格并建立有限元模型，因此工作量比其他方法更大，所需要考虑的因素也更多，依靠人工方式展开是不可取的；同时，网格形式对计算精确度和计算模式有直接的影响，因此脱离软件工具来实现存在很大困难。

HyperMesh是一种功能强大的CAE应用软件包，属于有限元网格专业划分工具。虽然与与主流的3D建模工具相比，其功能较少，但相应的在运行的过程中，由于HyperMesh属于环境配置功能，使用的平台较为广泛，运行中所占资源较少，更重要的是针对限元网格划分中有很好的支持，例如内部预设的一大批集合工具，不需要重新构建模型，而只需要整理所需要的数据以及口令，输入集合模型之后就可以得到相应的合理划分。

同时，HyperMesh支持3D和2D两种形式，且在基于网格建模的表现中十分优秀，强大的自动网格划分模块可以为用户提供一个智能的网格生成工具，同时也包括简便的网格修改工具。

在球罐设计、支柱与球壳连接处强度分析中，网格划分是一个必不可少的环节，再后期需要根据网格质量进行度量和评估。当前人们提出的根据或准则中，集合起来有以下几种类型，包括单元边比长、偏斜度、翘曲度等。

2　球罐支柱与球壳连接处的网格处理

以下笔者结合我厂丙烯球罐为研究对象，该球罐容量为2500立方米，结构采取的是对称设计，再分析中针对壳体构建力学计算模型）。在该球罐进行网格处理中利用HyperMesh软件展开，实体建模软件采取了专业版ENGINEER Wildfire，壳体模型比例缩小至二十四分之一，支柱实体模型缩小二分之一；运用HyperMesh的自动网格功能覆盖模型，形成单元格综述为58079个，其中六面体单元包括了56744个，五面体单元包括了1335个，比例分别为97.7%和2.3%。

考虑到U形柱、支柱主体、连接板三个部分的结合点，以及支柱盖板和球壳结合的位置呈现出结构复杂的现状，运用HyperMesh进行网格定位划分，可以重新获得局部的有效数据；实践证明，再网格划分中的六面体网格单元计算精度更高、更有效，同时在同样的数据精度要求下，六面体网格单元综述相对更少，可以节约大量的计算时间。

3　强度的有限元模型验证

一般会在现场通过施加水压的方式验证球罐结构的有限元模型，对于计算要求较高的情况，可以利用HyperMesh将模型中的单元导出，再导入到ANSYS软件中，从而提高计算的能力，获取更加完善的球壳和支柱连接部分应力分布信息；在应力测试中需要用到的工具包括测试布片、测试仪器、测试环境等都要事先准备，测试布片均为三向布片，测试仪器可以选择万能电阻应变仪以及PR～22电阻平衡向，其中电阻应变片可采用三相应变化，再测试过程中缓慢加压，并测试各值，保持十五分钟左右的稳定观察时间。

根据相关文献分析，支柱与球壳的连接点的内外主应力分别是259.0MPa、242.30MPa，与电测量法所取得的数据基本一致，验证了有限元计算模型的科学性、可行性。事实上，采取有限元法以及HyperMesh6.0软件进行建模分析以及网格划分，已经成为我国在球罐工艺技术方面的发展趋势，并可以得到较好的单元质量，计算精度较高，计算时间较少。同时，基于Hyper-Mesh6.0的网格划分中，六面体相对于四面体的精度更高，同时划分之后的单元数更少，是一种建模和划分的技巧。

总之，积极展开球罐相关技术方面的研究，促进设备科学化、统一化、合理化，对我国的基础工业发展具有重要意义。

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