球罐有限元分析

附录4 球罐整体有限元分析

1 几何模型

使用通用结构分析软件ANSYS Workbench Environment(AWE)13.0多物理场协同CAE 仿真软件，建立了有限元实体模型，根据液氨球罐对称性，可仅对结构的二分之一进行建模。如图1所示。

根据球罐的几何模型，建立了有限元模型。采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格。如图2所示。单元总数为138961个，节点总数为567202个。

（a）球罐整体的二分之一（b）壳体与支腿的连接局部

（c）壳体与支腿连接部位的截面（d）支腿与拉杆

图1 球罐的几何模型

（a）球罐整体二分之一网格（b）支腿与壳体连接网格

（c）支腿与壳体连接截面网格（d）支腿网格与拉杆

图2 球罐的单元网格划分

2 材料参数

整体结构合金钢：主体材料的参数设置为，弹性模量E=2E5MPa，泊松比μ=0.3，材料密度为ρ=7.85E-9t/mm3 。

球罐中液氨的质量为****t，将此质量转化到球罐壳体上，则球罐壳体的密度为

ρ1=****E-9t/mm3。

考虑到腐蚀的影响，球罐壳体的壁厚取****mm，球罐的内径取*****mm。

3 载荷及约束

根据球罐结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束。球罐的内表面施加

P0=**MPa的设计内压。支腿的底部施加全约束。

考虑重力的影响，在Y的负方向，施加标准的重力加速度9806.6mm/s2。球罐的上半球面施加400Pa的雪压，右半球面施加600Pa的风压。

当地震发生时，有水平加速度，地震的水平加速度给球罐施加水平载荷，使设备产生很大的弯矩，地震载荷按照7级烈度施加，载荷与约束如图3所示。

图3 载荷与约束示意图

4 有限元应力分析结果

球罐的整体应力（第三强度理论计算值）云图如图4（a）、4（b）所示。球罐的最大应力为294.61MPa，出现在球罐壳体与支腿连接的壳体上，如图4（c）。

在地震、风压和雪压的共同作用下，球罐的最大位移为4.57mm。位于与支腿连接部位的球罐壳体上。如图4（d）所示。

（a）吸附器整体内壁的应力云图（b）吸附器整体外壁的应力云图

（c）支腿与壳体连接局部最大应力（d）球罐的最大位移

图4 球罐的分析结果

为定量分析各部位应力强度，选择球罐最大应力部位沿球罐厚度方向建立分析路径，详见图5。使用ANSYS Workbench软件路径应力分析功能，得到路径上的应力强度线性化处理结果，详见附表1。

S=163MPa。

球罐的主体材料为16MnR钢板，20℃下其许用应力强度

m

图（a）球罐壳体的路径图（b）路径分析结果

图5 球罐的路径分析图

基于应力分析和应力分类的强度评定中，采用第三强度理论，将路径上的应力分解为薄膜应力、弯曲应力和总体应力，求取应力强度，按照不同的原则进行评定，具体评价结果如表1。

表1 球罐关键部位结构应力强度校核结果（K=1.0）