液氨储罐的应力分析
4 液氨储罐的应力分析
4.1液氨储罐应力分析的必要性
储罐在石油化工行业中有着广泛的应用，而且近年来随着制造工艺的提高其容积有逐渐增大的趋势。随着容积的增大，储罐在设计和使用中的安全可靠性就变得极为重要。
为了确保储罐在生产中的安全，工厂都会定期对储罐进行检修，其中包括外观检修，打开人孔进行检查，做理化检验，无损检测等等。但是随着储罐的使用，储罐的结构、壁厚等参数都发生了变化，储罐在这种变化下还能不能满足工作的要求，这就需要我们对储罐的现状进行分析，做出判断。现在最常用的分析就是应力分析，其目的就是求出结构在承受载荷以后结构内应力分布情况，找出最大应力点或求出当量应力值，然后对此进行评定，当应力值在许用范围以内时，结构满足要求，可以安全生产。当应力值超出许用应力时，储罐就是危罐，应该立即停止使用或者采取合适的方法来补救。
容器的受力情况一般比较复杂，压力容器所承受的载荷有多种类型，如机械载荷（包括压力、重力、支座反力、风载荷及地震载荷等)、热载荷等。它们可能是施加在整个容器上(如压力)，也可能是施加在容器的局部部位(如支座反力)。因此，载荷在容器中所产生的应力与分布以及对容器失效的影响也就各不相同。由于容器的受力情况一般比较复杂，用传统的计算方法很难解答，然而有限元法作为一种有效的应力分析方法正是压力容器应力分析的有效方法。
4.2有限元法概述
有限元法于1956年开始，首先在飞机结构计算中提出用离散的有限单元体来代替连续体求解的基本思想和方法，但是由于计算机尚未迅速发展，有限元的使用和发展受到了很大的限制。到上个世纪70年代，广泛使用，压力容器界也开始使用有限元方法解决容器中的具体问题。不仅在固体力学领域，而且在其他连续领域中也发挥了重要作用，解决了越来越多的工程问题。
有限元法可以说是对问题的一种物理近似法，它与差分法不同的是，它不涉及原有的微分方程，而是从能量原理出发，对结构进行离散化处理。即把连续的弹性体设想为由许多有限个单元组成，这些单元的形状简单，每个单元仅在节点处按照一定的
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方式相互联系，相互作用。与此同时，把用连续形式描述的边界条件看作是只需要在边界上若干个节点应当遵守的条件。此外，还把结构所受到的各种载荷按一定的方法化为等效的节点载荷。实际上，这就是把无限自由度的连续体的力学计算变成在有限多个节点某些参数的计算。
由于有限元法是采用有限个有限大小的单元节点处相连所组合成的离散体代替连续的弹性体，这就是使用有限元法具有很强的适应性，即可以适应各种复杂的结构、载荷及边界条件，也可以计算由不同材料组合成的结构。近年来许多功能较强的有限元软件的不断涌现，前后处理功能的不断改进，可以输入比以前更少的信息便可以自动生成网格及载荷移置，像ANSYS, NASTRAN等软件还有等效线性化后处理功能，并将结果整理出图象输出，极大地方便了设计者。有限元法目前不仅用于弹塑性分析，还可以用于高温蠕变分析、大变形与屈曲分析，断裂分析等。用有限元法与数学规划法相结合还进行了不同载荷作用下的极限分析与安全性分析。有限元法作为一种有效的应力分析方法正在成为压力容器应力分析的方法。
有限元法的应用与电子计算机紧密相关，由于该法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的方便。因而，有限元法已被公认为工程分析的有效工具，受到普遍的重视。随着机械产品日益向高速、高效、高精度和高度自动化技术方向发展，有限元法在现代先进制造技术的作用和地位也越来越显著，它已经成为现代机械产品设计中的一种重要的且必不可少的工具。
4.3 ANSYS软件简介
4.3.1介绍ANSYS软件
ANSYS公司创建于1970年，ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和祸合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。经过30多年的发展，ANSYS逐渐为全球工业界广泛接受。ANSYS软件应用十机械、航空航大、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。ANSYS独具特色的多物理场祸合分析技术和涵盖优化设计、随机有限元分析等在内的一体化的处理技术充分体现了CAE领域的最新发展成就。它能与多数软件接口实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，ALGOR，I-DEAS，AutoCAD等。 ANSYS软件是第一个工S09001通
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过质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)，美国核安全局(NOA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，ANSYS第一个通过了中国压力容器标准技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。 4.3.2 ANSYS软件的三大处理模块
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 4.3.3 ANSYS主要技术特点
ANSYS作为一个功能强大，应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面:
①.数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理，分析求解及多场分析的数据统一。
②.强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型。
③.强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。
④.强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。
⑤.智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。
⑥.良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案;利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。
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⑦.可实现多场藕合功能。ANSYS可以实现多物理场藕合分析，研究各物理场问的相互影响。
⑧.提供与其他程序接口。ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换。
⑨.良好的用户开发环境。ANSYS开放式的结构使用户可以利用APDL, UIDL和UPFS对其进行一次开发。
4.4 储罐人孔开孔接管区的应力分析
4.4.1人孔接管区应力分析的必要性
化工装备为了完成工艺过程必须设置接口，以便物料的流入和流出，同时为了便于检测和检修，需要设置压力表、液位计、安全阀、人孔或手孔等，这使得压力容器的必须进行开孔接管。开孔接管区的应力状况非常复杂，这时因为一方面开孔破坏了壳体材料的连续性，削弱了原有的承载面积，在开孔边缘附近必然会造成应力集中；另一方面接管的存在使开孔接管区成为总体结构不连续区，壳体与接管在内压作用下自由变形不一致，在变形协调过程中将产生边缘应力，同时接管和壳体是通过焊接连接在一起的，焊缝的结构与尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成结构不连续，形成局部结构不连续应力，JB4732-1995对焊缝过渡圆角做了较为详细的规定。下面将对液氨储罐的人孔开孔接管区为代表进行应力分析。 4.4.2相关数据和问题描述
由前一部分液氨储罐的结构设计可得出： （1）该储罐的人孔开孔区的尺寸和参数如下：
储罐的筒体内半径Rci=600mm, 筒体厚度tc=10mm，筒体长度Lc=2030mm，接管外半径Rno=240mm，接管厚度tn=10mm，接管外半径Rno=240mm， 接管壁厚10mm，接管内伸长度Lni=50mm，接管外伸长度Ln=200mm，焊缝外侧过渡圆角半径rr1=30mm，焊缝内侧过渡圆角半径rr2=15mm，储罐内部压力Pi=1.8MPa。 （2）开孔接管区的材料属性：
筒体材料16MnR钢，人孔接管材料Q235—BF，两者的弹性模量都为2.1e5Mpa，泊松比μ=0.3。
（3）由上面的数据对储罐的人孔开孔区进行应力分析，具体分析过程见下文详解。
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4.4.3分析问题
液氨储罐在整体上具有前后和左右对称性，由于仅考虑内压作用下的应力状况，为此有限元模型可利用结构的对称性取开孔接管区的1/4建模。另外，为简化建模，本分析只考虑液氨储罐上的最大接管，即人孔接管。
选择SOLID45单元对结构进行离散化，对称面施加对称约束，接管的端部约束轴向位移，筒体端面施加轴向平衡面载荷Pc，并按如下公式计算：
pc?pDi222(Di?2te)?Di
4.4.4解决问题的思路
压力容器开孔接管区的应力分析为三维实体模型，应使用三维建模对其进行应力分析，应先按要求的参数建立三维实体模型，再根据模型的各部分尺寸，设定适当的网格参数，划分出适当的网格以便于求解的准确性。再对各对称面施加对称约束，对内表面施加内压力进行求解。 4.4.5 GUI过程
（1）环境设置初始化变量，输入下表参数。
参 数 Rci=600mm tc=10mm Rco=Rci+tc Lc=2030mm Rno=240mm tn=10mm Rni=Rno-tn 参数意义 筒体内半径 筒体厚度 筒体外半径 筒体长度 接管外半径 接管厚度 接管内半径 参 数 Hmin=sqrt(Rci**2-Rni**2) Lni=50mm Ln=200mm rr1=30mm rr2=15mm Pi=1.8 MPa Pc=pi*Rci**2/(Rco**2-Rci**2) Pn=pi*Rni**2/(Rno**2-Rni**2) 参数意义 接管最小内伸长长度 接管内伸长度 接管外伸长度 焊缝外侧过渡圆角半径 焊缝内侧过渡圆角半径 内压 筒体端部轴向平衡面载荷 接管端部纵向平衡面载荷 （2）定义单元及材料
① 定义单元类型：选择Structural Solid选项中Brick 8node 45号单元。 ② 定义材料属性：在弹性模量EX=2e5，泊松比PRXY=0.3。
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