有限元分析夹套罐三维仿真研究

程乃伟+严橙枫+徐爽爽+颜鑫+杨月

摘 要：本文以锅炉压力容器安全知识以及相关标准为基础，使用有限元软件对三维模型进行受力分析，详尽而准确地反应了夹套罐的应力应变分布，为科学地设计及优化夹套罐提供了理论指导。

关键词：有限元；夹套罐；三维仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.049

0 引言

压力容器是完成介质的物理、化学反应并且承受其各类压力的一种密封容器。作为化工行业中不可或缺的一部分，已经有大量的文献研究锅炉压力容器受力分析。在另一方面，由于某些部位实际测量难度较大且没有具体的应力公式，对于夹套罐尤其是夹套罐体连接处以及边缘应力的分析却是相当匮乏。本次分析的对象是一个夹套罐设计图纸，它是某回收酒精设备中的一部分。夹套罐分为表里两个部分，内部罐体的主体是一个圆筒，圆筒的上下底面为两个同等大小的椭球封头，内部主体被外部一个略大的夹套所包围。重点分析夹套与罐体连接处以及边缘应力应力分布状况。

1 相关内容简单介绍

1.1 SolidWorks 软件介绍

与其他的三维绘图软件不同，Solidworks拥有全面绘图的能力以及海量的配件，并具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使其成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。Solidworks拥有众多软件不具有的全面绘图能力以及海量的配件， 除此之外Solidworks还有简单上手、自主创新的特点。使用Solidworks软件可以直接画出三维模型，将设备的参数、结构特点一针见血地表现出来。夹套罐的相关尺寸在表1中给出，使用SolidWorks结合参数建立模型如图1所示。

1.2 有限元分析介绍

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

SOLIDWORKS Simulation 使用有限元方法的位移公式在内部和外部载荷下计算零部件的位移、应变和应力。通过使用四面体单元 （3D）、三角形单元 （2D） 和横梁单元来离散被分析的几何体，并通过直接稀疏求解器或迭代求解器对其进行解算大大提高了计算结果的精度。

2 技术方法

2.1 简化模型

本次有限元分析的对象为罐体筒体、罐体封头、夹套筒体、夹套封头，与其他零部件没有，故可忽略夹套罐上的法兰接口、窥镜、支座等对分析结果的影响。使这些零部件不包括在分析结果中，同时也极大提高了计算效率。

2.2 夹具的选择及材料选定

在有限元分析中，夹具的选择是十分关键的，夹具的选择直接影响有限元分析的计算结果，通常根据实际情况分析模型所受的约束及受力方式来选择不同的夹具类型。在本次有限元分析中，夹套罐底部的夹套封头由三个JB/T4712.4--2007，1号A型支座固定，可认为其自由度为零，将夹套封头设为固定夹具。选定压力容器的制作材料为低碳合金钢，其常温下许用应力，设计温度下许用应力，材料屈服限材料弹性模量。

2.3 确定载荷并划分网格

对于本次分析的夹套罐，其罐体受到来自内部的0.5MPa蒸汽压力以及夹套内介质对其夹套高度以下部分产生的0.7MPa外压，而夹套只受到自身内部介质的0.7MPa压力。考虑到罐体筒体内外压受力的面不同，将罐体筒体按夹套高度分为两部分。在载荷选项中逐个添加相应的压力。选择实体网格，网格大小为20.09mm，比率为1.5划分模型。

2.4 应力分析

待网格划分完成之后，运行simulation得到应力。

罐体所受应力的理论值为，夹套所受应力的理论值为。如图所示罐体所受应力区为浅蓝色，其应力大小约为3.0～3.3×107Pa，误差大小为6.5%；

夹套所受应力区为深棕色其应力大小约为8.4～8.9×107Pa，误差大小为4%，误差在可接受范围以内。罐体与夹套连接处受力区对应的大小约为4.9×107Pa，夹套边缘应力大小约为3.5×107Pa。

3 结语

本文使用有限元软件模拟分析夹套罐的受力分布情况，一方面对于有理论计算公式的部分，如夹套筒体和罐体筒体，其计算结果与有限元分析结果较为接近，误差在可接受范围；另一方面对于没有具体公式计算的部分，如夹套罐体连接处，夹套罐体边缘应力，我们得到了其应力的估计值。总体来说，有限元分析实体受力结果较为理想，同时有限元分析应力较实际测量十分简便，只需要建立相应的模型、

给定受力载荷条件即可得到分析結果，可广泛应用于各设备的载荷分析。

参考文献：

[1]贺国匡.化工容器及设备简明设计手册[M].北京工业出版社，2002.12

[2]江楠，冯毅.锅炉压力容器安全技术及应用[M].中国石化出版社，2013（04）.

[3]DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基础教程[M].机械工业出版社，2014（08）.