[精品資料]畢業(yè)設計資料_儲罐倒裝法施工提升過程中支撐片受力有限元分析

摘要隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，儲罐的需求量不斷增加。儲罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對于容量大于20,000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和角手架正裝法，中小容量的儲罐采用倒裝法。相對正裝法施工中的大量高空作業(yè)，倒裝法具有低空作業(yè)、操作方便、安全性高的優(yōu)點。隨著儲罐向大型化發(fā)展，研發(fā)大型儲罐的倒裝施工工藝，已經(jīng)成為一種必然趨勢。本文在全面回顧國內(nèi)外儲罐倒裝法施工工藝及發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，選擇倒裝法施工提升過程中，液壓提升所需要的支撐片為研究對象，采用ANSYS軟件建立儲罐焊接支撐片模型，并進行有限元分析。主要分析在吊裝過程中支撐片的應力分布，確定該焊接支撐片能否安全可靠確保施工質(zhì)量。得到該支撐片的應力分布云圖，及應力的最大位置。從圖中可以看出支撐片上應力的分布是不均勻的，而且在焊縫周圍應力很大。關鍵詞：儲罐倒裝法；支撐片；有限元分析AbstractWith the continuous development of Petrochemical industry，Ever-increasing demand for storage tank. Tank construction method is usually the main method is loaded and two flip-law, for a capacity of more than 20,000 cubic meters of floating roof tank, has been confined to the domestic water float angle is hand equipment and aircraft are fitted law, the use of small and medium-sized tank capacity inversion method. Construction equipment is a relatively large number of high-altitude operation, with a low flip-law operation, easy to operate, the advantages of high security. With the tank to the large-scale development of large storage tanks of the flip-construction process, has become an inevitable trend. In this paper, on the basis of a comprehensive review of domestic and foreign tank flip chip construction technology and the development of the status quo , choice of flip-law to enhance the process of construction, hydraulic lifting of the films required for study, using ANSYS software to support the establishment of tank welding chip model and finite element analysis carried out. The main analysis the support films stress distribution in the process of lifting, to determine whether the support films can to ensure the construction quality of secure and reliable.keywords: tank flip chip; support film; Finite Element Analysis23目 錄1緒論11.1研究意義11.2研究目的11.3研究現(xiàn)狀22理論基礎32.1大型儲罐發(fā)展概況32.210萬立方浮頂儲罐施工簡介42.2.1概述42.2.2 施工方法42.3倒裝法施工工藝62.3.1 液壓提升原理及方法62.4有限元理論基礎82.4.1 有限元法的基本思想82.4.2 有限元法的分析過程82.4.3 有限元的優(yōu)越性82.5ANSYS軟件92.5.1 ANSYS的功能92.5.2 ANSYS的特點102.5.3 ANSYS軟件的結構103有限元分析133.1建立模型133.2劃分網(wǎng)格163.3施加約束與載荷183.4結果分析183.5結論21致 謝22參考文獻23儲罐倒裝法施工提升過程中支撐片受力有限元分析1 緒論1.1 研究意義隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，儲罐的需求量不斷增加。儲罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對于容量大于20,000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和腳手架正裝法，中小容量的儲罐采用倒裝法。倒裝法是目前大型儲罐安裝施工的常用方法，其工藝及配套設備有很多種，但其中最先進、最可靠、最具生命力的當屬倒裝法液壓提升技術1。大型儲罐倒裝法（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）用液壓提升施工成套技術是以SQD-160-100s.f松卡式千斤頂（承載力16t，液壓行程100mm）為主體配以不同型號的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)等配件，組成大型儲罐（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）液壓提升施工成套設備，可適用于大型儲罐（拱頂罐、浮頂罐和內(nèi)浮頂罐、鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）的提升施工。正裝法是自罐底向上逐層施工，最后裝上罐頂，這種方法必須進行高空作業(yè)，而且全過程均需大噸位吊車配合施工，還需要搭設吊車或懸掛腳手架。倒裝法的施工順序是：罐底、罐頂、上層（第一層）壁板、逐層提升中間各層壁板、下層壁板。這種方法全部地面作業(yè)，不僅安全可靠、工效高、而且節(jié)省了吊車和腳手架費用2。隨著近年來計算機技術廣泛應用與發(fā)展，使有限元分析軟件在工程應用與分析中得到了廣泛的應用，并且具有其獨特的優(yōu)勢。由以上可見，采用有限元進行受力分析具有極大的潛在經(jīng)濟效益和社會效益，對機械工業(yè)與科學技術的發(fā)展有重大意義。1.2 研究目的有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件(如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段3。受力分析的研究方法大致可以分為兩類：實驗法與科學分析法(即理論法)。完全采用工藝實驗的方法研究結構件受力情況，不但成本很高，而且周期也會很長，需要投入大量的人力、物力、財力。而采用ANSYS有限元軟件進行分析與研究具有其他研究方法無法比擬的優(yōu)點。本課題建立儲罐焊接支撐片模型，分析在吊裝過程中支撐片的應力分布，確定該焊接支撐片能否安全可靠確保施工質(zhì)量。1.3 研究現(xiàn)狀目前的油罐越來越向大型化方向發(fā)展，因為儲油罐單罐容積越大，單位容積的鋼材耗用指標越低，相同儲量的油庫成本越低，同時罐區(qū)總占地面積也越小，方便管理，可以降低總成本。1962年美國芝加哥橋梁公司首先建成10104m3浮頂油罐，直徑87米，高約21米；1964年殼牌石油公司在歐洲建成10104m3浮頂油罐；日本發(fā)展得比較晚，但是近年來迅速趕上，日本在1965年建成10104m3浮頂油罐，1971年建成16104m3浮頂油罐，直徑109米，高17.8米；沙特阿拉伯也已成功建造了20104m3浮頂油罐，其直徑高達110米，高22.5米4。 1985年中國從日本引進第一臺10104m3浮頂油罐，到目前已經(jīng)建成10104m3大型浮頂油罐幾十臺。2003年在廣東茂名建成了12.5104m3罐，2004年在江蘇儀征建成了15104m3罐。這些大型罐的設計大多參照美國的API650標準或JIS B 8501標準。這類大型罐的設計，我國還處于起步階段，正在不斷摸索，有許多方面需要研究。保障油罐的安全是目前最重要的問題，目前的設計標準并不能絕對保證油罐的安全，還是有大量的油罐在地震、颶風中發(fā)生破壞。 隨著計算機技術及數(shù)字計算方法的發(fā)展，有限元作為一種有效的計算分析工具，越來越廣泛地應用于工程領域。目前許多人對油罐進行過有限元分析，在這些分析中有些是采用三維實體單體進行計算，有些則利用軸對稱有限元進行計算。油罐罐壁上有許多開孔和接管，這些部位的應力狀態(tài)非常復雜，無法用一般的理論方法進行求解，這就需要借助有限元這一工具。目前計算這些部位的應力均采用三維有限元法或殼單元法。由于油罐直徑大，壁厚相對較薄，要劃分高質(zhì)量的三維實體網(wǎng)格需要較多的單元和節(jié)點，就需要高性能的計算機相助；而采用粗糙的網(wǎng)格，會降低計算的精度。如果采用殼單元進行計算，由于殼單元本身就已經(jīng)做了一定的簡化假設，無法準確地計算壁板與補強板焊接處的應力，具有一定的局限性。因此需要一種既不需要太大計算量，又有足夠計算精度的方法計算開孔部位的應力5。2 理論基礎2.1 大型儲罐發(fā)展概況立式圓柱形儲液罐按罐頂型式可分為拱頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐等，儲存原油的大型儲油罐一般采用外浮頂油罐以減少成本。大型儲罐按照與地基連接型式的不同，可分為錨固罐和非錨固罐。儲罐底部與地基剛性連接稱為錨固儲罐；直接擺放在地基上的，稱為非錨固儲液罐。液化天然氣(LNG)儲罐、液化石油氣(LPG)儲罐等低溫罐多為錨固罐。而大型原油儲罐等常溫低壓罐，多為非錨固罐，直接擱置在地基上，以降低造價。小容積的儲油罐，通常直接放在經(jīng)平整夯實的地面上；大容積儲油罐，為防止過度不均勻沉降，通常采用帶混凝土圈梁的地基。這類儲罐內(nèi)部受液壓作用，從下往上液壓逐漸減小。遵循等強度設計理念，通常采用不等壁厚的圓柱形筒節(jié)焊接而成，從下往上數(shù)，第一圈壁板厚度最大，往上依次減薄。實際上，油罐特別是空罐在風壓的作用下很容易產(chǎn)生失穩(wěn)，因而罐壁不能太薄，各國標準中都有一個最小公稱厚度。目前我國建造的10萬立方米及以上油罐的最小公稱厚度12mm，與日本JIS B 8501標準一致。同時，為防止失穩(wěn)，油罐上部通常設置有抗風圈、加強圈等。大型油罐的底板分為兩部分：邊緣板和中幅板。邊緣板與壁板相連，應力狀態(tài)較復雜，因此厚度較大，對材料的強度、韌性等有較高的要求，通常與底圈壁板材料相同。中幅板應力較小，因此可以用一般的Q235-A，厚度較薄，但也有一個最小公稱厚度。在GB50341-2003中規(guī)定：當罐內(nèi)徑Dl0m時中幅板厚度不得小于6mm。油罐地基中心沉降量較大，因此大型油罐罐底通常采用中心高四周低的正圓錐形結構，即先給定一個預沉降量，保證在油罐的使用壽命內(nèi)罐中心始終高于罐四周，不會造成死油現(xiàn)象。施工時，對一般地基而言，其罐底坡度為15；對軟弱地基，其罐底坡度可以適當提高，但是不得大于35?；A沉降基本穩(wěn)定后，錐面坡度86。大型原油儲罐通常采用外浮頂方式，即油罐的浮頂直接放于油面上，隨油品收發(fā)而上下浮動，在浮頂與罐內(nèi)壁之間的環(huán)形空間有隨著浮頂上下的密封裝置。這類罐幾乎全部消滅了氣體空間，從而大大地減少了油品的蒸發(fā)損耗。浮頂罐有雙盤或單盤兩種結構。一般來說，北方要考慮雪載荷，要求有較高的剛度，多采用雙盤結構；而廣東等南方沿海地區(qū)雪載較小，可采用單盤結構。與雙盤式浮頂相比，單盤式浮頂省材料，但容易腐蝕，維護費用較高7。2.2 10萬立方浮頂儲罐施工簡介2.2.1 概述10萬立方儲油罐為雙盤外浮頂結構，主要組成部分為罐底、罐壁、雙盤外浮頂及附件。參數(shù)：設計容量100000m3，內(nèi)徑80000mm，高度為21800mm，儲存介質(zhì)為原油，設計壓力為常壓。罐底中幅板材質(zhì)為Q235-B，板厚12mm，罐底邊緣板材質(zhì)為12MnNiVR，板厚20mm。罐壁共計9圈，每圈由20張鋼板對接組成，頂部3圈材質(zhì)為16MnR，其余6圈材質(zhì)為12MnNiVR，板厚由上至下依次為12mm、12mm、12mm、12mm、14mm、18.5mm、21.5mm、28mm、32mm；罐壁總重781t。浮頂為雙盤結構，由上盤板、下盤板、環(huán)形船艙和桁架所組成，板材材質(zhì)為Q235-B，板厚5mm，浮頂總重493t。圖2.1 大型儲罐總體結構2.2.2 施工方法國內(nèi)外大型儲罐的施工方法主要有：正裝法、倒裝法。正裝法和倒裝法的不同之處僅在于罐壁的施工，顧名思義，正裝是由下到上，如同蓋房子，倒裝是由上到下。其中倒裝法又分為水浮倒裝法、抱桿倒裝法、氣頂?shù)寡b法、液壓提升倒裝法以及機械提升倒裝法等。1水浮倒裝法，是適用于大容量的浮船式金屬儲罐的施工，它是利用水的浮力和浮船罐頂結構的特點，給罐體組裝提供方便；2順裝法，順裝法與倒裝法相反，自下而上一層層的拼裝；3液壓頂升法（機械倒裝法），是倒裝法的一種形式；4抱桿倒裝法，同正裝法相反，從上到下進行安裝；機械正裝法，將罐壁預先制成的整幅鋼板沿罐體設計的圓弧線展開，一邊展開，一邊焊接；5充氣升頂是罐壁倒裝法的另一種形式，它是利用鼓風機向罐內(nèi)送入壓縮風所產(chǎn)生的浮力使上部罐體，罐壁有多層板組裝而成，組裝順序與液壓倒裝頂升法相同8。常規(guī)施工10萬立方罐采用正裝法進行，原理為：罐底施工完成后，施工最下面一層罐壁（第一圈，罐壁按從下至上順序依次為第一圈、第二圈、第八圈、第九圈），先整圈罐壁組對焊接后成為一個筒體，然后與罐底板組焊大角焊縫，之后在第一圈上安裝第二圈壁板，如同砌磚墻，逐層向上施工，直至最頂層。圖2.2 正裝法施工圖片倒裝法的主要優(yōu)點是減少了高空作業(yè)的工作量，從而節(jié)約腳手架材料，減少了高空作業(yè),也使工作效率提高，但各種倒裝法也各有優(yōu)缺點。（1）水浮倒裝法一般適用于外浮頂罐，此法是最早施工方法，目前很少采用；（2）機械提升倒裝法一般采用手拉葫蘆提升，體積在1000方左右的油罐也有采用立中心柱用卷揚機提升的，因受提升重量和手工操作不均勻性的限制，一般僅適用于5000方以下的儲罐施工；（3）氣頂?shù)寡b法施工機械簡單，相對來說施工費用較低，但由于受其風機的風壓限制，一般 5000方以下的儲罐的施工，不宜采用氣頂?shù)寡b法。從理論上說，儲罐體積越大，其單位面積分布的重量就越小，采用氣頂?shù)寡b法施工應該越容易，但由于氣頂時其頂升速度需要人工控制，各方向的偏差需要人工調(diào)節(jié)，儲罐越大，需要參與調(diào)節(jié)的人手越多，互相的配合越困難，施工危險性越大，因此，20000方以上的儲罐施工，也很少采用氣頂?shù)寡b法；（4）液壓提升倒裝法介于幾種施工方法之間，其特點一是適應范圍廣，理論上可適用于任意大小的儲罐，二是操作控制簡單、可靠、危險性小，因此已經(jīng)越來越多的被采用，其主要缺點是目前成套設備價格較貴，設備購置一次性投入較大9。2.3 倒裝法施工工藝儲罐的施工方法通常主要有正裝法和倒裝法兩種，對于容量大于20000立方的浮頂罐，國內(nèi)一直局限于水浮法正裝法和角手架正裝法，中小容量的儲罐采用倒裝法。相對正裝法施工中的大量高空作業(yè)，倒裝法具有低空作業(yè)、操作方便、安全性高的優(yōu)點。隨著儲罐向大型化發(fā)展，研發(fā)大型儲罐的倒裝施工工藝，已經(jīng)成為一種必然趨勢。倒裝法是目前大型儲罐安裝施工的常用方法，其工藝及配套設備有很多種，但其中最先進、最可靠、最具生命力的當數(shù)倒裝法液壓提升技術。該技術是北京中建建筑科學技術研究院（原中建一局科研所）于1993年研制成功的，并于當年通過了中建總公司的技術鑒定，鑒定意見為：儲罐步進液壓提升裝置為國內(nèi)首創(chuàng)，大型儲罐倒裝法用液壓提升裝置及工藝具有國際先進水平。該技術1994年被列為建設部科技成果重點推廣項目；1995年又列為國家級科技成果重點推廣項目。通過多年的推廣應用已形成了“大型儲罐倒裝法液壓提升成套技術”、“橫跨雙樓通訊塔整體液壓提升施工技術”等施工技術10。大型儲罐倒裝法（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）用液壓提升施工成套技術是以千斤頂為主體，配以不同型號的液壓泵站和液壓管路系統(tǒng)等配件，組成大型儲罐（或鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）液壓提升施工成套設備，可適用于大型儲罐（拱頂罐、浮頂罐和內(nèi)浮頂罐、鋼桅桿、通訊塔和鋼尖塔等）的提升施工。2.3.1 液壓提升原理及方法1液壓提升原理利用液壓提升裝置（成套設備）均布于儲罐內(nèi)壁圓周處，先提升罐頂及罐體的上層（第一層）壁板，然后逐層組焊罐體的壁板。采用自鎖式液壓千斤頂和提升架、提升桿組成的液壓提升機，當液壓千斤頂進油時，通過其上卡頭卡緊并舉起提升桿和脹圈，從而帶動罐體（包括罐頂）向上提升；當千斤頂回油時，其上卡頭隨活塞桿回程，此時其下卡頭自動卡緊提升桿不會下滑，千斤頂如此反復運動使提升桿帶著罐體不斷上升，直到預定的高度（空出下一層板的高度）。當下一層壁板對接組焊后，打開液壓千斤頂?shù)纳稀⑾滤煽ㄑb置，松開上下卡頭將提升桿以及脹圈下降到下一層壁板下部脹緊、焊好傳力筋板，再進行提升11。如此反復，使已組焊好的罐體上升，直到最后一層壁板組焊完成，從而將整個儲罐安裝完畢。液壓控制系統(tǒng)拉桿桿液壓缸圖2.3 液壓提升系統(tǒng)2液壓提升方法在先期施工的罐底板上安裝數(shù)個固定墊墩(400mm高，間距3-4米), 然后組裝第一層壁板和頂蓋板，沿罐內(nèi)壁400mm處均布數(shù)臺（根據(jù)計算確定）液壓提升機，以提升機的滑動托架托住固定在罐內(nèi)壁的脹圈下部，操縱液壓提升機的控制柜，集中控制各液壓機的動作,液壓提升機提升脹圈時，同時也將罐體提升,升至下一圈壁板高度時,可進行一帶壁板組裝，然后落下扒桿、脹圈,再進行下一帶提升組裝,直到整個油罐倒裝完畢12。2.4 有限元理論基礎2.4.1 有限元法的基本思想 求解數(shù)學問題通常有布兩種方法：解析-通過嚴格的數(shù)學推導求出精確解;數(shù)值法它是通過一定的算法，用計算機求近似解。在工程實際問題中，由于幾何形狀、材料特性和外部荷載的不規(guī)則性，使得邊值問題的求解十分困難，除少數(shù)簡單的問題以外，一般都只能用數(shù)值法求解，所以數(shù)值法己成為不可替代的廣泛應用的方法，并得到不斷的發(fā)展。 有限元法是利用計算機進行的一種數(shù)值近似計算分析方法，它是通過對連續(xù)問題進行有限數(shù)目的單元離散來近似真實情況，是分析復雜結構和復雜問題的一種強有力的分析工具。有限元法的基本思想分為兩個方面:(1)離散將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點變量的代數(shù)方程，以利于計算機求解.(2)分片插值針對每一個單元選擇插值函數(shù)，積分計算也是在單元內(nèi)完成，由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，可以得到收斂于實際的精確解13。2.4.2 有限元法的分析過程 (1)結構的離散化：將結構離散分割為有限個單元體來代替原來的結構。 (2)單元分析：單元分析的任務是形成單元剛度矩陣。選擇位移模式：假定位移是坐標的某種簡單函數(shù)，通常采用多項式。用結點位移表示單元內(nèi)任意點位移，由變分原理，建立單元上結點力與結點位移間的關系，即得單元的剛度矩陣。 (3)集合所有單元的平衡方程，建立整個結構的平衡方程，集合結構整體剛度矩陣。 (4)載荷移置：即遵循能量等效原則，把各種外載轉(zhuǎn)換為節(jié)點載荷。(5)約束處理。只有施加了足夠的約束后才能求得惟一節(jié)點位移解。(6)求解線性方程組得節(jié)點位移，再解出單元應力。(7)整理并輸出結果。(8)結果分析。2.4.3 有限元的優(yōu)越性(1)能夠分析形狀復雜的結構。由于單元不限于均勻的規(guī)則網(wǎng)格，單元形狀有一定任意性，單元大小可以不同，且單元邊界可以是曲線或曲面，因此分析結構可以具有非常復雜的形狀。(2)能夠處理復雜的邊界條件。(3)能夠保證規(guī)定的工程精度。當單元尺寸減小或插值函數(shù)的階次增加時，有限元解收斂于實際問題的精確解。(4)能夠處理不同類型的材料。有限元法可用于各向同性、各向異性及復合材料等多種類型材料的分析。2.5 ANSYS軟件 ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件。該軟件融結構、熱、流體、電磁場、聲場和禍合場分析于一體，經(jīng)過30多年的發(fā)展，ANSYS逐漸為全球工業(yè)界廣泛接受。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學科研等眾多領域，ANSYS是這些領域進行國際國內(nèi)分析設計技術交流的主要分析平臺。在國內(nèi)，ANSYS分析軟件第一個通過國家壓力容器標準化委員會認證14。有鑒于此，本文采用ANSYS10.0版本對結構作了分析計算。2.5.1 ANSYS的功能可以用ANSYS完成的功能如下：(1)建立計算模型或者輸入結構、產(chǎn)品、組件或系統(tǒng)的CAD模型；(2)應用施加載荷或者其它設計條件；(3)研究模型的物理響應，如應力水平、溫度分布或者電磁場等；(4)對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，以降低產(chǎn)品的費用；(5)做數(shù)值模擬實驗。 ANSYS包括100多個單元，提供了對各種物理場量的分析功能，可以將其應用到如下學科:(1)結構分析(2)熱分析(3)高度非線性瞬態(tài)動力分析(ANSYS / LS-DYNA )(4)流體靜力學和動力學分析(FLOTRAN ) (5)電磁場分析(6)聲學分析 (7)壓電分析(8)多場禍合分析(9)設計靈敏度及優(yōu)化分析 ANSYS的設計優(yōu)化功能允許優(yōu)化任何方面的設計變量和約束變量，如形狀、應力、自然頻率、重量、費用、溫度、磁勢、壓力、速度或離散量等，可進行參數(shù)、形狀、拓撲優(yōu)化。2.5.2 ANSYS的特點 ANSYS的如下特點使得其在有限元分析軟件中具有領先地位。(1)唯一能實現(xiàn)多場及多場禍合分析功能的軟件。用戶不但可用其進行諸如結構、熱、流體流動、電磁等的單獨研究，還可以進行這些類型的相互影響研究。例如：熱-結構禍合，磁-結構禍合以及電-磁-流體-熱禍合等。(2)唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件。(3)唯一具有多物理場優(yōu)化功能的FEA軟件。(4)具有強大的非線性分析功能。(5)多種求解器分別適用于不同問題及不同的硬件配置。(6)支持從微機、工作站到巨型機的所有硬件平臺，以及所有平臺之間的并行計算。(7)支持異種、異構平合的網(wǎng)格浮動、在異種、異構平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容。(8)多種自動網(wǎng)格劃分技術。(9)可與大多數(shù)的CAD軟件集成并有接口。應用ANSYS提供的數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAD系統(tǒng)下主成的幾何數(shù)據(jù)傳入ANSYS中，并對其分網(wǎng)求解。這樣就不必因為在分析系統(tǒng)中重新建立模型浪費時間。(10)多層次多框架的產(chǎn)品系列。產(chǎn)品系列由一整套可擴展的、靈活集成的各模塊組成，因而能滿足各行業(yè)的工程需要。也因此，用戶只需要購買自己需要的模塊即可，從而節(jié)約費用15。2.5.3 ANSYS軟件的結構軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的藕合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結構內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 1.前處理模塊PREP7 這個模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分 (1)實體建模ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。(2)網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。2.求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結果。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。ANSYS軟件提供的分析類型包括:結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的禍合分析。求解階段是計算機在內(nèi)部完成矩陣計算求計算結果的過程。一般用戶不能干預這一過程，計算機程序會一直計算直到得出最終結果，并保存在數(shù)據(jù)庫中。但是當結構模型有嚴重錯誤，例如有與整體結構分離的單元、節(jié)點時，計算機會提示相應的錯誤信息，并停止計算。用戶可以根據(jù)提示對模型做出相應的修改。ANSYS的求解器提供了多種求解方法。用戶可針對不同的結構類型，不同的模型規(guī)模及精度選擇不同的方法或者多種方法的組合。3.后處理模塊POST1和POST26ANSYS軟件的后處理過程包括兩個部分:通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結果并對其進行顯示。這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。(1)通用后處理模塊POST1這個模塊對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果(如應力)在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值(如應力值)。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)(如應力范圍)，清晰地反映了計算結果的區(qū)域分布情況。(2)時間歷程響應后處理模塊POST26這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節(jié)點位移、應力或支座反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。另外，POST26還可以進行曲線的代數(shù)運算。3 有限元分析3.1 建立模型國內(nèi)外近幾十年所做的有限元分析，儲罐支撐片是儲罐倒裝過程中比較關鍵的受力部位，也是分析設計者普遍關注的應力集中區(qū)域，有限元法是解決這一區(qū)域應力分布的有效方法。但為了分析結果正確，必須建立正確的模型。對結構模型進行簡化方法大致可分為以下幾個方面： (1)結構類型簡化 結構形狀、載荷和約束條件的特點，結構類型可以分為空間問題、平面問題、板殼問題和桿件問題，其中平面問題的幾何模型是二維模型，在平面上劃分網(wǎng)格要容易得多，單元數(shù)量也少得多。因此，將空間問題作適當降維，使其按平面問題來處理可使分析過程大為簡化。 (2)結構細節(jié)簡化 結構細節(jié)是結構中尺寸相對很小的局部，如小的開口等。建立幾何模型時可盡量忽略一些不必要的細節(jié)。在靜力分析中，高應力區(qū)域中的細節(jié)結構會引起應力集中，這些細節(jié)不能忽略，而處于低應力區(qū)的細節(jié)一般可以忽略。 (3)變換結構的形式 常見的結構形式是帶肋骨加強的平板結構，這類結構有時形狀很復雜，建模費時且劃分網(wǎng)格困難，因此在有限元分析時，通常將其結構形式作適當變換，使網(wǎng)格劃分變得容易，劃分出的單元更少。常用的結構變換方法是等剛度變換，即將肋骨剛度等效為與之相連的板的剛度。等剛變換有兩種方式:一是不改變平板厚度，而增加板材料的彈性模量，二是保持板的材料特性不變，而增加板的厚度。 (4)局部結構 對有些結構進行分析時，若取整個結構建立模型，則會造成大量不必要的建模工作和計算量，因此可以只劃取結構中受力最嚴重、應力和變形量最大的危險區(qū)域建立局部模型，同時也可以對關鍵部位進行詳細的網(wǎng)格劃分，從而達到提高計算精度的目的。 (5)利用結構對稱性 當結構的形狀、載荷、約束條件以及材料和物理特性具有某種對稱性時，結構的應力和變形也呈相應的對稱分布。分析這類結構時，可以只劃取結構的若干分之一進行計算，劃分邊界就是對稱面。 儲罐第九圈（即最下面一圈）外徑為80032mm，內(nèi)徑為80000mm；支撐片長寬高分別為25mm,15mm,40mm：材料為12MnNiVR。通過分析知道，儲罐最后一圈的支撐片受力最大，因此為了更接近實際及建模方便，只對儲罐最后一圈及支撐片進行建模。不同的分析類型需要不同的材料性能參數(shù)，假設儲罐和支撐片皆在線彈性范圍內(nèi)工作，因此需要定義材料的彈性模量，泊松比。 為了研究簡便，常把與問題無關或影響不大的次要因素忽略，僅保留主要因素，把問題抽象化，再進行分析研究。本文在建模過程中作如下幾個基本假設。 (1)同質(zhì)材料 組成支撐片各區(qū)域中的每個金屬晶粒的力學性能并不完全相同，但在各區(qū)域包含了無數(shù)晶粒，而且它們是無規(guī)則的排列著，在宏觀領域內(nèi)，其力學性能是各晶粒力學性能的統(tǒng)計平均值，所以可認為各區(qū)域的性質(zhì)相同，屬于同質(zhì)材料。 (2)各向同性 就金屬單一晶粒而言，不同方向的力學性能是不同的，但支撐片晶粒極多且又雜亂無章地排列著，從而導致各方向的性能就接近相同了，所以說，本文中支撐片材料參數(shù)均為各向同性。 (3)不考慮殘余應力的影響 支撐片所受應力本應該是外載荷所產(chǎn)生的應力和殘余應力之和，但由于鋼管冷加工和焊接的影響，殘余應力在一定程度上得到釋放，且殘余應力分布十分復雜，本文主要研究焊接鋼管的T型接點的應力分布，因此在有限元分析時不考慮殘余應力的作用。 本文運用ANSYS有限元軟件建立儲罐支撐片模型，每一層罐壁有120個焊接支撐片，如圖3.1所示圖3.1 儲罐支撐片模型圖3.2支撐片放大圖3.2 劃分網(wǎng)格在用有限元對支撐片進行應力分析時，用實體單元建立模型，本文所關心的問題是支撐片的應力分布與最大應力的位置。本文選用Solid45單元，采用自由格劃分的方法。Solid45單元是一個3維8節(jié)點固體結構單元，Solid45具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過不同的CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型）。單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著X、Y、Z方向平移的自由度。 Solid45可以具有任意的空間各向異性，單元支持塑性，超彈性, 蠕變，應力鋼化，大變形和大應變能力.還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。有不同的輸出選項可用。Solid45單元示意圖如圖3.4。由于儲罐尺寸很大，對計算機配置要求較高。因此，截取模型中的五度進行網(wǎng)格劃分，如圖3.5、3.6，其上有一個支撐片。通過對此支撐片的受力分析，可知其他支撐片的應力分布狀態(tài)。圖3.3 Solid45單元示意圖圖3.4 支撐片網(wǎng)格劃分放大圖圖3.5 帶支撐片的儲罐網(wǎng)格劃分左視圖3.3 施加約束與載荷本文主要研究儲罐倒裝提升過程中支撐片的應力分布情況，根據(jù)應力的分布，從而確定支撐片能否確保施工質(zhì)量，對其進行分析計算。倒裝法是利用液壓機將最下面一層壁板提升，在這個過程中，支撐片需要承受已焊接好的壁板重量，每提升一層，支撐片所受的力相應增加。因此可以知道，當安裝最后一層時，支撐片受力最大，即整個儲罐的總重781噸。通過計算得知，每個支撐片受到的壓強為169.87Mpa。3.4 結果分析本文運用ANSYS軟件對施加了載荷后的模型進行分析，得到了模型的應力彩色云圖以及從各個坐標軸上看的應力云圖，從而可以得出構件上各位置的應力分布、構件的最大應力位置，從而可以確定構件的危險部位。對構件的危險部位進行特別監(jiān)控與采取其他措施構件能夠安全運行。圖3.6、圖3.7、圖3.8、圖3.9、圖3.10分別為支撐片模型的應力云圖、支撐片放大圖、X方向應力云圖、Y方向應力云圖、Z方向應力云圖。紅色部分