基于有限元法的化工容器应力分析及结构优化

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Stress Analysis and Structure Optimization of Chemical VesselBased on the FiIlite Element M ethodⅣG n(Colege of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 1 13001，China)Abstract：The finite element method of chemical vessel stress analysis and structure optimization were developedrapidly in fields of petroleum and chemical in China.ANSYS was used in the stress analysis of the chemical container ina chemical plant reactor.The 6 paths of the primary stress and secondary stress were obtained.and the vessel structurewas optimized.，I1lis method had the advantages of short cycle，small design calculation workload，intuitive results，etc，which had the value of application。

Key words：1he finite element method；stress analysis；secondary stress；structure optimization随着电子计算机技术的快速发展，压力容器设计观点、设计标准和方法设计也不断更新。应用有限元分析程序对压力容器进行分析设计这-先进的设计方法正在石油、化工、核工业等行业的设备设计工作中，得到迅速的推广。在众多可用的通用和专用有限元软件中，ANSYS做为最通用有效的有限元软件之- ，也在压力容器的应力分析设计中得到了广泛应用 。

1 有限元法理论基础有限单元法是将连续的结构离散成有限个单元，每个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连的-组单元的集合体；同时选定朝数的节点值作为基本未知量，并在每个单元中假设-个近似插值函数来表示单元中场 函数的分布规律 ；利用变分原理建立用来求解节点未知量的有限元法方程；利用解得到的节点值和设定的插值函数确定单元上的和整个集合体上的朝数 J。

定义形函数 N( )，进而通过单元节点变量 n描述单元域内连续的变量 ( )。

( )N( )a定义单元材料的响应 ，如应力 、应变和热流等。

s( )L( )]BaGror( )如 ( )形成单元矩阵，建立单元与外界环境的平衡关系：K a 厂0作者简介：杨帆 (1981-)，女，讲师，主要从事化工、储运设备研究。

式 中： B D d 单元刚度矩阵- f N( ) bdVN( ) tdS 单元节点上的等效外力。 --单元节点位移将覆盖结构全域的所有单元的刚度矩阵和节点外力对平衡的贡献集成，建立整体结构的平衡方程：K ：，∑Ka 0指定-些节点位移后，可将平衡方程按已知节点位移和未知的场变量分解为两部分：[ -n -点 ， 十 0 )fr-(K a Ks 。 )根据计算出的节点变量，代人材料单元响应的表达式，获得单元应变 、应力或热流等量。

2 ANSYS模拟计算采用 ANSYS软件 ，对某化工厂在役的反应釜进行建模。

反应釜实际简体内径 1400 mm，名义厚度为20 mm，建模时，简体、夹套均采用有效厚度，即钢板和锻件名义厚度从内表面第41卷第11期 杨帆：基于有限元法的化工容器应力分析及结构优化 197通过也上分析可看出路径 dl～d5的-次局部薄膜应力 P和-次局部薄膜应力加上-次弯曲应力再加上二次应力 (即 PP Q)都小于许可值，强度合格。而路径 d6的 P P Q 445.3 MPa>441 MPa(许可值)，该位置强度不够。

3 结构优化对设备该位置进行现场倒角处理 (见图 5)，处理后该处PLPBQ降为 383.7 MPa，强度合格。

图5 倒角后模型图Fig.5 Model figure after chamfering4 结 论应用有 限单元法模拟软件 ANSYS对某化工厂反应釜进行模拟计算，结果显示 ：由于机构上的不连续 ，使得-次局部薄膜应力、-次弯曲应力再和二次应力之和 (即 P。.P Q)超标 ，结构强度不合格 ；通过对应力最大位置进行倒角处理后，该处应力值降低至合格水平∩见，有限元软件 ANSYS能够较直观、准确地反映出压力容器的应力情况 ，该方法在压力容器应力分析和设计中应加以推广。