【化工設(shè)備仿真】ANSYS及其在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

2016-10-23 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 有限元方法及分析簡介

有限元方法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)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(nèi),選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點,將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式,借助于變分原理或加權(quán)余量法,將微分方程離散求解。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式,便構(gòu)成不同的有限元方法。

有限元分析是對物理現(xiàn)象的模擬,是對真實情況的數(shù)值模擬,通過對分析對象劃分網(wǎng)格,求解有限個數(shù)值來模擬真實情況下的未知量。所以在對工程實際問題進(jìn)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(yīng)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(lǐng)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(gòu)模型及材料參數(shù)等?

(6)網(wǎng)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(jié)構(gòu)響應(yīng):想得到什么方面的數(shù)據(jù)和結(jié)果?

2 ANSYS簡介

計算機(jī)輔助工程技術(shù)(CAE)是計算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù),其核心技術(shù)是有限元理論和數(shù)值計算方法。作為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具,ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、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(jìn)技術(shù)和理念,在工業(yè)領(lǐng)域和研究方向都有廣泛而深入的應(yīng)用。ANSYS軟件由美國ANSYS公司(成立于1970年)開發(fā),提供CATIA,UG,PRO/E等主流CAD軟件的數(shù)據(jù)接口。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計類軟件,是美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)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(yīng)的,ANSYS分析應(yīng)可分為如下三個步驟:

3.1 前處理(pre-processing)

前處理是指創(chuàng)建實體模型和有限元模型,它包括創(chuàng)建實體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格等幾個步驟。其中,創(chuàng)建實體模型是花費時間較多的工作,它可以在ANSYS環(huán)境中創(chuàng)建,也可以通過其他CAD軟件,如UG、ProE、Catia等導(dǎo)入。通過導(dǎo)入創(chuàng)建的實體模型,有時還需對其進(jìn)行修正才能進(jìn)行下一步的工作。不管采用什么方式創(chuàng)建的實體,都應(yīng)綜合考慮其后續(xù)的網(wǎng)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(jié)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(shè)定約束條件、求解等幾個步驟。載荷施加應(yīng)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(jié)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(shù)學(xué)解方程組。

3.3 后處理(post-processing)

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

4 ANSYS Workbench簡介

Workbench是ANSYS公司開發(fā)的新一代協(xié)同仿真集成平臺,自ANSYS7.0開始,ANSYS公司推出了ANSYS經(jīng)典版(Mechanical APDL)和ANSYS Workbench版兩個版本,并且目前均已開發(fā)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(jié)合起來,便于協(xié)同管理;它具有與CAD軟件的雙向參數(shù)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(fù)雜的模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)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(shù)據(jù)庫,方便用戶進(jìn)行編輯、應(yīng)用;易學(xué)易用,在Windows系統(tǒng)下運(yùn)行,界面友好,DesignModeler建模方式與多數(shù)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(xué)習(xí)和使用。

圖2 錐形過渡段前處理(Workbench)

5 ANSYS在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

5.1壓力容器的設(shè)計方法

壓力容器的設(shè)計方法主要有兩種。一是基于彈性失效準(zhǔn)則的規(guī)則設(shè)計方法,我國GB150就是采用這種設(shè)計方法,它不需要對壓力容器各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,而是通過結(jié)合經(jīng)典力學(xué)理論和經(jīng)驗公式,對壓力容器的部件作出一些諸如選材、安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、加工制造要求等方面的要求;二是以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的分析設(shè)計方法,,對應(yīng)于我國JB4732設(shè)計規(guī)范,其設(shè)計思想是進(jìn)行容器設(shè)計時先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析,計算各種應(yīng)力并進(jìn)行分類,再按不同設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行限制。

5.2 ANSYS在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

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

(1)不連續(xù)區(qū)域應(yīng)力分析,如筒體與封頭的連接處、開孔接管區(qū)等;

(2)穩(wěn)定性及極限載荷分析,如受外壓筒體、接管支撐、結(jié)構(gòu)承載力等;

(3)熱應(yīng)力分析,如加氫反應(yīng)器裙座支撐區(qū)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(tài)響應(yīng)譜分析,如塔器、儲罐承受風(fēng)載、雪載、地震載荷等;

(7)耦合場分析,如對換熱器溫度場及機(jī)械載荷和熱載荷的分析等;

(8)結(jié)構(gòu)可靠性和優(yōu)化設(shè)計,如高壓球罐強(qiáng)度、塔設(shè)備裙座支撐區(qū)分析等;

(9)疲勞分析,如平板與筒體連接區(qū)的疲勞問題等。

6 總結(jié)

本篇主要介紹ANSYS有限元分析的基本概念及其在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用。ANSYS軟件的正確使用,不僅需要用戶對軟件的熟練操作,更離不開對相應(yīng)專業(yè)知識及有限元方法的理解。對于像筆者這樣的入門級用戶來講,ANSYS Workbench無疑是最佳的學(xué)習(xí)方式。文中有不當(dāng)之處,歡迎各位指點。

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