吕凤娟，王帅志，李超

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)



基于ANSYS Workbench的加筋平盖的有限元分析

吕凤娟，王帅志，李超

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

摘要：根据传统的计算方法对加筋平盖进行设计计算；然后利用UG 软件对冻结壁模拟试验系统的加筋平盖进行建模；再用ANSYS Workbench 软件进行线性静力分析，并对分析结果进行校核。结果表明：该加筋平盖的应力强度评定为合格，设计方案合理、有效。

关键词：加筋平盖；线性静力分析；应力集中；强度校核

0引言

平盖是压力容器较常用的封头形式，而采用带加强筋的平盖不仅可以节省材料，还可以在最大压力和最大壁厚的限制下，选择价格较为低廉的材料，因此可大大降低生产成本[1]。然而，该平盖设计准则是基于“弹性失效”准则，对应于GB150规范系统，它是一种基于经验的设计方法，得出的结构强度结果比较保守，限制了容器整体性能的提高和材料的有效利用[2]。因此，在做好加筋平盖的设计后，需要对结构的强度及稳定性进行有限元分析，进而对结构在使用中是否安全，作出评价。

1加筋平盖的结构设计

该平盖为冻结壁模拟实验系统实验罐的上下端盖，根据试验系统的具体要求：设计温度为常温，设计压力为内压8MPa。材料类型为Q345R，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为500MPa，屈服强度为325MPa。

根据GB150.1~150.4—2011《压力容器》，平盖设计方案如图1所示。

1—内矩形筋板；2—外矩形筋板；3—外圆形筋板；4—内圆形筋板图1　平盖模型平面图

(1)

d—当量直径，mm；d1—内加强环的外直径，mm；d2—外加强环的外直径，mm；n—径向筋板条数。d取d1d2中较大的一个带入算出d1=559mm；d2=1306mm；d=d2加筋平盖的厚度可按式(2)带入计算：

(2)

δp—平盖计算厚度，mm；Pc—计算压力，MPa；Dc—平盖计算直径，mm；σt—设计温度下的许用应力，MPa；φ—焊接接头系数。

筋板高度为300mm，矩形截面筋板其高厚比一般为5~8，为了节省材料取高厚比为8，则筋板厚度为300/8=37.5mm。约取壁厚40mm。

2加筋平盖的有限元分析

a) 模型及载荷

分析对象为压力容器加筋平盖， 模型具体尺寸如图1。

b) 建立模型

由于该平盖模型体积较大，且结构和载荷具有对称性，为避免对整个模型进ANSYS分析时耗用较多的分析时间，利用UG软件建立整个模型后，再在workbench的Design Modeler模块中建立轴对称模型，取原模型的1/4进行有限元分析，建立后的模型，如图2。

图2　分析模型

c)网格划分

该模型为模拟实验罐带加强筋的平盖，加强筋之间及加强筋与平盖之间的连接方式为焊接连接，该试验系统的主要功能是对底压作用下冻结井筒的冻结壁发展形成规律及井筒开挖后冻结壁的变形情况进行模拟，平盖上需设压力表，液位计，测量装置等的开孔接管，以便于检测检修，除此以外，还有边缘固定螺栓开孔，开孔破坏了平板材料的连续性，消弱了原有的承载面积，在开孔边缘和焊接连接处会有应力集中现象。因此，筋板连接处和开孔处采用较细的网格划分。

为了得到较好的网格品质，采用分区划分网格，在重要的位置采用细化网格的划分方法，最终获得的网格品品质良好，节点数148105，单元数389852。综上，划分结果如图3。

图3　网格划分图

3施加载荷及约束

有限元分析的目的在于了解模型对施加的外部载荷做出的响应。因此，正确的识别和定义载荷，并有效的实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步。该模型受到的载荷有内压、外压和重力载荷，由于外压和重力载荷对模型的影响较小，可忽略不计。因此，只考虑对模型施加8MPa的内压。由于取平盖的1/4进行静力分析，还需要对模型进行对称约束。而螺栓孔需要固定约束，中间孔限制转动[4]。得到的应力强度图，如图4所示。

图4　应力强度图

将应力强度图放大后得到图5，可知最大应力271.22MPa发生在内圆与外圆之间的筋板上，所以只需要校核该部分的应力强度，只要该筋板强度符合要求，其他的部分就都符合要求。

图5　应力强度图

4应力强度校核

该筋板最大应力为217.22MPa，大于许用应力，但这并不能评定为不满足强度要求，因为在两部件焊接的这种结构不连续区域，应该参考JB/T4732部标设计(薄膜应力SII≤1.5Sm；弯曲应力SIII≤3Sm；薄膜+弯曲SIV≤3Sm；)，对计算结果进行分析、评定[5]。

在最危险的地方设置一条应力评定线路，路径1-2，得线性应力强度如图6,应力结果如图7所示。

图6　线性应力路径

图7　线性应力化结果

表格1　应力评定表　MPa

5结语

1) 该模型体积较大、局部结构复杂，划分网格采用整体粗略划分网格，局部类似焊接、开孔处等应力集中的区域细化网格的划分方法。这样既降低了内存需求，又得到了品质好的网格，大大提高了计算结果的准确性。

2) 平盖内压作用下引起的一次薄膜应力和二次弯曲应力和由于结构的不连续性引起的包括薄膜应力在内的局部应力都能通过有限元软件ANGSYS Workbench准确的计算而来。局部应力限制值243MPa远大于内压引起的应力72MPa。一次与二次应力限制值361.11MPa远大于137.6MPa。所以，满足设计强度要求。

利用大型软件ANSYS Workbench进行强度分析，可以有效地弥补传统设计方法的不足。既大大提高了分析结果的准确性、可靠性，又节省了人力、财力，不失为一种有效的强度评估方法。

参考文献:

[1] 许留关，薛降颖. 《加筋平盖的计算》[J]. 化工装备技术，2011; 22，(2).

[2] 王心明. 工程压力容器设计与计算[M]. 北京：国防工业出版社，2011.

[3] GB150.1~150.4--2011《压力容器》[S].

[4] 程新宇，冯晓伟, 等. 《基于ANSYS/WOEKBENCH的压力容器接管分析》[J]. 石油与化工装备，2011，14，(2).

[5] JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准[S].

[6] 许京荆. ANSYS12.0 压力容器分析[J]. Xu jingjing,《ANSYS12.0 Pressure Vessel Analysis》.

Finite Element Analysis of Flat Cover with Reinforcement Based on ANSYS Workbench

LV Feng-juan，WANG Shuai-zhi，LI Chao

(College of Mechanical Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract:The reinforcement flat cover is designed according to the conventional calculation method, the model of reinforcement flat cover of frozen wall simulation test system is setup using UG and then ANSYS Workbench software is used to do its static analysis linearly, and check the results of the analysis. The evaluation result shows that stress intensity of the reinforcement flat cover is qualified and the design proposal is reasonable and effective.

Keywords:reinforced flat cover; ANSYS Workbench; stress concentration; intensity check

基金项目：福建省科技厅重点项目(2009H0023)；福建省教育厅资助项目(JB07027)

收稿日期：2014-12-05

中图分类号：TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)03-0090-02

作者简介：吕凤娟(1987-)，女，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化系统设计。