蘇文獻(xiàn), 季 鵬

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

大型直立設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝輔助裝置設(shè)計(jì)及有限元驗(yàn)證

蘇文獻(xiàn), 季 鵬

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

針對(duì)石化行業(yè)的大型直立圓柱殼設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝方式,設(shè)計(jì)一種新型的現(xiàn)場(chǎng)安裝輔助裝置,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該輔助裝置進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明:新型現(xiàn)場(chǎng)安裝輔助裝置的強(qiáng)度和剛度均能滿足工作狀況的需要,對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有參考意義.

直立設(shè)備;安裝輔助裝置設(shè)計(jì);有限元驗(yàn)證

石化行業(yè)大型立式設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝,目前常用的安裝方法是將設(shè)備進(jìn)行必要的加固,再用大型吊車提升設(shè)備上部進(jìn)行焊接及焊后熱處理.該方法需要使用大量的吊車臺(tái)班,吊車的租賃成本大約為10萬(wàn)元/臺(tái)班,安裝成本較高；同時(shí),在進(jìn)行焊縫的熱處理時(shí)吊車的吊裝力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算,安裝難度大且很難保證安裝質(zhì)量.因此,有必要設(shè)計(jì)一種大型直立設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝輔助裝置,筆者在設(shè)計(jì)這樣一種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析驗(yàn)證,解決上述大型直立設(shè)備安裝過(guò)程中存在的問(wèn)題,同時(shí)提高安裝精度,降低安裝成本和安裝難度.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

a.對(duì)接環(huán)焊縫的焊接

具有自動(dòng)對(duì)心的功能,以滿足對(duì)接的上下筒體間的同軸度要求；具有調(diào)整上下筒體間縫隙的功能；強(qiáng)度要足以穩(wěn)定地支撐上部筒體的重量；剛度要保證不引起筒體局部失穩(wěn),且上下筒體的變形均在允許的范圍內(nèi).

b.熱處理過(guò)程

滿足熱處理加熱范圍的需要；剛度要保證不引起筒體自身失穩(wěn),且上下筒體的變形均在允許的范圍內(nèi)；保證熱處理裝置的布置需要,提供必要空間的同時(shí)盡可能多地為熱處理裝置的安裝提供便利；強(qiáng)度要足以穩(wěn)定地支撐上部筒體的重量.

1.2 設(shè)計(jì)流程

本著操作方便,降低成本的原則確定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示.圖2是安裝實(shí)例示意圖.

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1 Structure design project

其中,上支撐體呈L型,均勻分布在上加強(qiáng)板外圍,并固定在上加強(qiáng)板上,相應(yīng)地下支撐體均勻分布在下加強(qiáng)板外圍,并固定在下加強(qiáng)板上；上下支撐體相連,形成匚型結(jié)構(gòu).在4～8個(gè)上下支撐體的連接處設(shè)有墊片.

圖2 安裝實(shí)例示意圖Fig.2 Example for installation

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中采用的結(jié)構(gòu)由上下加強(qiáng)板以及一組均布于環(huán)焊縫四周的匚形支撐部件組成,匚形支撐部件分為上下支撐體兩部分,分別焊接在上下加強(qiáng)板上,上下加強(qiáng)板分別焊接在上下筒體外圍.上下支撐體有一組配合面可以實(shí)現(xiàn)安裝中的定位,以保證上下筒體的同軸度.在上下支撐體間可以通過(guò)調(diào)整墊片的數(shù)量和規(guī)格來(lái)調(diào)整上下筒體間的間隙,以滿足焊接工藝的需要.定位和間隙調(diào)整完成后,將上下支撐體焊接為一體.上下支撐體間的焊縫焊接完成后,即可去掉吊車,進(jìn)行筒體的環(huán)焊縫的焊接和焊后熱處理.在環(huán)焊縫的焊接和熱處理過(guò)程中完全由該安裝輔助裝置支撐上筒體.

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可降低安裝難度,提高安裝質(zhì)量,同時(shí)減少吊車臺(tái)班的使用,降低安裝成本,增強(qiáng)設(shè)備安裝企業(yè)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力.在焊接和熱處理的整個(gè)安裝過(guò)程中,上下筒體通過(guò)由上下加強(qiáng)板以及一組均布于環(huán)焊縫四周的匚形支撐部件構(gòu)成的安裝輔助裝置支撐.同時(shí)具備上下筒體自動(dòng)定位,保證上下筒體同軸度和調(diào)整焊接坡口間隙的功能.另外匚形支撐部件的數(shù)量和分布方式可以根據(jù)需要靈活調(diào)整.

2 有限元驗(yàn)證

2.1 建立幾何模型

對(duì)結(jié)構(gòu)[1]進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,采用UG軟件建立結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型.以圓柱殼軸線與位于兩個(gè)支撐體正中間的筒體母線定義一平面.整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、約束條件和載荷都關(guān)于這個(gè)平面對(duì)稱,所以取整個(gè)結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行計(jì)算,建立模型,如圖3所示.

圖3 結(jié)構(gòu)實(shí)體模型Fig.3 Finite element analysis model

2.2 定義單元屬性

參考GB 150—1998鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)材料選用Q345R,其彈性模量為206 GPa,泊松比為0.28.

2.3 單元類型選擇及網(wǎng)格劃分

采用ANSYS提供的SOLID95單元[2].該單元是一種20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元,適用于有曲面邊界等不規(guī)則形狀的計(jì)算模型.生成的有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖4.

圖4 有限元網(wǎng)格模型Fig.4 Meshed model

2.4 邊界條件的確定

有限元計(jì)算中,邊界條件的確定對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果有著較大的影響.而在實(shí)際問(wèn)題中,約束情況往往很復(fù)雜,需要在一定程度上進(jìn)行簡(jiǎn)化[3-4].

在圓柱殼上截面施加1.7 MPa的壓力載荷.位移邊界條件:為了限制整個(gè)結(jié)構(gòu)的軸向位移,在圓柱殼下面的截面上所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束,對(duì)稱面上所有節(jié)點(diǎn)的環(huán)向位移約束為零.施加載荷和位移邊界條件后的模型見(jiàn)圖5.最后進(jìn)行有限元靜力求解.

圖5 施加載荷和位移邊界條件的模型Fig.5 Model applied loads and displacement boundary conditions

2.5 靜力結(jié)果分析

求解后,采用ANSYS軟件對(duì)生成的結(jié)果進(jìn)行后處理,圖6是結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng).可以看出,受力最大處位于輔助裝置上半部分與直立裝置連接處,最大應(yīng)力為10.829 MPa,遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力170 MPa,同時(shí),該結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.084 mm,滿足工作要求.

圖6 結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)Fig.6 Structural strain field and stress field

2.6 特征值屈曲分析

考慮圓柱殼上截面施加的壓力載荷可能產(chǎn)生的穩(wěn)定性問(wèn)題,在對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力求解之后,進(jìn)行特征值屈曲計(jì)算.

由彈性力學(xué)有限元法,計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)的特征值方程為

式中,[K]為總彈性剛度矩陣,即小位移的線性剛度矩陣；[S]為總幾何剛度矩陣,也稱初始應(yīng)力剛度矩陣；λ為特征值或穩(wěn)定安全系數(shù)；{ψ}為特征位移向量[5].

求解式(1),即得結(jié)構(gòu)的屈曲特征值,這里采用ANSYS提供Block Lanczos法求解.

雖然特征值屈曲分析方法未考慮結(jié)構(gòu)非線性和初始缺陷的影響而只考慮了較理想的結(jié)構(gòu),但由于該方法計(jì)算簡(jiǎn)單,并且是非線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果的上限,因此,目前仍被廣泛采用[6].

在圓柱殼上端截面上施加1 MPa的壓力載荷,計(jì)算所得特征值屈曲模態(tài)圖如圖7所示.由計(jì)算結(jié)果可得臨界載荷為513.444 MPa,遠(yuǎn)大于實(shí)際施加的載荷1.7 MPa,所以該架構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象.

圖7 特征值屈曲模態(tài)圖Fig.7 Eigenvalue buckling mode

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大型直立設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中所存在的問(wèn)題,提出了一種解決方案,以某石化公司一塔器為例,設(shè)計(jì)了一種大型直立設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝輔助裝置,并對(duì)其可行性和有效性進(jìn)行了有限元驗(yàn)證,結(jié)果表明其強(qiáng)度、剛度均能滿足工作情況的需要.

[1] 耿煥然.大型立式設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊縫焊后熱處理穩(wěn)定性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(11):122-124.

[2] 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[3] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].2版.北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.

[4] 龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5] 洪武,關(guān)振群,李云鵬,等.有限元分析與CAE技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[6] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].2版.北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

Structural design and finite element verification of auxiliary device for installation of large vertical equipment

SUWen-xian, JIPeng
(College of Emergy amd Power Emgimeerimg,Umiversity of Shamghai for Sciemce amd Techmology,Shamghai 200093,Chima)

Considering the installation of vertical cylindrical shell equipments in large petrochemical industries,a new type of auxiliary device for installation of large vertical equipments was designed.Its stiffness and strength were analyzed by using finite element analysis software ANSYS. The results show they can meet the working requircments in of practical constructions.The design is of referential value to engineering applications.

vertical equipmemt；desigmof auxiliary imstallatiom device；fimite elememt verificatiom

TQ 051文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735(2011)05-0508-03

2010-09-08

蘇文獻(xiàn)(1967-),男,副教授.研究方向:過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì).E-mail:digestsu@163.com