立式设备支座有限元分析及参数化结构优化.pdf

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1、第52卷第4期化　工　设　备　与　管　道Vol.52No.42015年8月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGAug.2015·压力容器·立式设备支座有限元分析及参数化结构优化屠宏斌，郭文元，费名俭，陈央（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103）摘要：应用ANSYS有限元分析软件，对大型立式设备的支座进行有限元分析，按照JB4732—1995标准对结构进行强度校核，并分析了相关因素特别是模型主要尺寸对支座最大应力的影响，并按趋势选定最优化尺寸，从而实现对支座结构的优化。关键词：立式支座；有限元分析；参数化；结构优化中图分

2、类号：TQ050.3；TH123文献标识码：A文章编号：1009-3281（2015）04-0001-004随着设备的大型化，应用于设备中的支座需要面对更大的载荷及更复杂的外部条件带来的影响，常[1]规设计标准已无法满足设计及校核要求。尤其对[2]于Ⅲ类压力容器，设备始终处于危险的高温和高压工况，一旦发生破坏，容器内储存的巨大能量瞬间释放，并可能伴随有毒介质扩散，将会导致灾难性事故发生，因此这类装置放置的稳定性十分重要。支座尺寸焊缝形式随着有限元理论在压力容器应力分析设计方面图1支座结构的应用日益深入，为复杂受力的结构进行强度校核提Fi

3、g.1Structureoflugsupport供了有效途径，同时参数化模型的应用，可以更快、表1支座部件及材料更有效地分析对结构影响的关键因素，从而更好地进Table1Partsandmaterialsofsupport行结构调整与优化。项目个数材料本文将参照JB4732—1995标准进行强度校核的垫板114Cr1MoR基础上，对参数化的三维支座模型进行有限元应力强盖板1Q345R度计算，进而分析各尺寸对整体应力的影响，为设计中间筋板1Q345R和优化提供有效途径。两侧筋板2Q345R底板1Q345R1相关特性参数表2材料性能某大型设

4、备的设计压力(G)为4.8MPa，设计温Table2Propertiesofthematerials度为350℃，单个支座承重为350t，支座的主要尺材料性能值寸及焊缝形式如图1所示。-3材料密度ρ/(kg·m)7850该设备筒体、垫板的材料为14Cr1MoR，支座材5弹性模量/MPa2×10料为Q345R，单支座各部件材料特性如表1所示。泊松比µ0.3按照GB150—2011，分析350℃下14Cr1MoR及环境温度下的Q345R及其尺寸等因素，设定147MPa收稿日期：2014-08-29作者简介：屠宏斌（1978—），男，浙江宁波

5、人，工程师，硕士。[3]为整体许用应力。同时考虑热态及冷态下的工作状况，长期从事压力容器和工业炉设计及应力分析的工作和不考虑温度的影响，将相关参数统一设定，如表2所示。研究。·2·化　工　设　备　与　管　道第52卷第4期2结构有限元分析确定应力最大值位置后，在筒体径向沿壁厚方向设定路径（如图4），进行线性化计算，并按立式设备支座与筒体是靠支座垫板四周的焊缝[4]JB4732—1995中的强度校核方法评定，见表3。与筒体连接的，垫板本身只是与筒体贴合，是非绑定其中一次薄膜+弯曲应力分为筒体侧与支座侧，本连接。文后续主要分析支座侧应力。因未

6、考虑疲劳，因此未因大型设备结构和载荷的对称性，所以取筒体评定峰值应力强度。的1/8及支座的1/2作为分析模型。划分后网格节点数为523246个，单元数为339027个，有限元模型及网格划分情况见图2所示。图4线性化路径设定三维模型网格划分Fig.4Pathsetforlinearizedstress图2有限元模型及网格划分Fig.2TheFEmodelandmesh3参数化结构优化使用ANSYS静态结构分析模块分析支座应力，应力分析主要用于强度校核，如上节中将应力图3为按第三强度当量应力给出的应力云图，最大值线性化后，评定其强度水平即可

7、，但很难分析相关条出现在垫板上盖板外侧焊缝线处。件的变动对应力强度的影响。为更好地提高设计和分析的有效性和快捷性，本文提出应用参数化进行设计和分析的方法。对支座的影响因素可分为外部载荷和自身结构。对于外部载荷，主要为筒体内压及重力载荷。参数化能大幅度提高工作效率，针对外部载荷，考察在±5%范围内内压和重力载荷的变化（如图5所示），内侧外侧可以得到重力载荷对最大应力的影响较内压显著。图3应力分布针对支座结构，本文结合CAD软件，在模型Fig.3Stresscontour建立之初就将模型各尺寸以参数形式设定，在进入观察应力最大值附近应力情况

8、，可以看到离开ANSYS后，就可以利用其参数化功能直接与模型各该区域后应力衰减很快，可以得出此处为结构不连续尺寸进行对接，进而分析各尺寸变化对各类应力的影型的应力过高。响，判断各尺寸的有利趋势，从而进行结构