液壓石油氣球形儲(chǔ)罐有限元分析

液壓石油氣球形儲(chǔ)罐有限元分析,液壓,石油氣,球形,有限元分析 學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓石油氣球形儲(chǔ)罐有限元分析 學(xué)生姓名：劉鐵民 學(xué) 號(hào)：20052024162 指導(dǎo)教師：王維剛 所在學(xué)院：工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 中國(guó)·大慶 2009 年 6 月 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 摘 要 液化氣球形儲(chǔ)罐作為一種重要壓力容器，在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，其分析設(shè)計(jì)和使用安全問(wèn)題越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家和工程技術(shù)人員的關(guān)注。 球罐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析多采用有限元法，由于其結(jié)構(gòu)和地震等載荷條件的復(fù)雜性，帶來(lái)工作量龐大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。如何處理好計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格和載荷邊界條件、提高分析設(shè)計(jì)的效率是值得研究的課題。 本文首先綜述了鋼制球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。然后針對(duì)鋼制球罐，采用有限元ANSYS分析軟件，分別進(jìn)行了風(fēng)載荷、地震載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，以及雪載荷作用下靜力學(xué)分析。最后介紹應(yīng)力分類(lèi)及強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。 關(guān)鍵詞：球罐；有限元法；瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)；風(fēng)載荷；地震載荷；雪載荷 Abstract The steel spherical tank has wide applications in petrol and chemical industry as important pressure vessels storing oil and gas. Its design analysis and safety assessment has attracted more and more attention of some experts and engineers. The FEM (finite element method) is popularly used in stress analysis of spherical tank. Due to the complexity of the structure and loads, e.g. the earthquake and wind load, how to deal with the finite element meshing of the model and the load boundary condition to increase the efficiency of design by analysis remains a valuable research subject. In this article, the structure design, stress analysis and strength evaluation criteria of the steel spherical tank were summarized at the beginning. Then we can use the software ANSYS of finite element analysis to working wind loads, earthquake loads under the transient dynamics analysis, and the snow loads under analytical. Finally, the kinds of stress and the evaluation criteria of strength have been introducted. Key words:spherical tank; finite element method; transient dynamics; wind load; earthquake load; snow load 14 目 錄 第1章 概 述 1 1.1 引言 1 1.2 液化石油氣球形儲(chǔ)罐的簡(jiǎn)介 2 1.3球形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 6 1.4本文研究工作的目的和意義 7 1.5本文的主要工作 8 第2章 ANSYS在球罐應(yīng)力分析中的應(yīng)用 9 2.1 有限元分析基本思路 9 2.2 ANSYS軟件 11 2.3 時(shí)程分析法 11 2.4應(yīng)力數(shù)據(jù)處理方法 12 第3章 液化氣球形儲(chǔ)罐有限元計(jì)算模型的建立 15 3.1 問(wèn)題描述 15 3.2 建模構(gòu)想 15 3.3 單元類(lèi)型的選擇及網(wǎng)格劃分 16 3.4 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 17 第4章 液化氣球形儲(chǔ)罐有限元分析 20 4.1 風(fēng)載荷下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 20 4.2 地震載荷下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 24 4.3 雪載荷下靜力學(xué)分析 28 第5章 液化石油氣球形儲(chǔ)罐的強(qiáng)度評(píng)定 29 5.1應(yīng)力分類(lèi)及應(yīng)力評(píng)定 29 5.2強(qiáng)度評(píng)定 30 結(jié) 論 31 參考文獻(xiàn) 32 致 謝 35 第1章 概 述 1.1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的飛速發(fā)展，儲(chǔ)存也逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)工藝流程中不可缺少的部分。生產(chǎn)中為便于原料、產(chǎn)品或中間產(chǎn)品的運(yùn)輸、儲(chǔ)存收集、添加等需使用各種儲(chǔ)存容器，如液化石油氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存必須用槽罐(車(chē))、儲(chǔ)液罐等。用于生產(chǎn)中的各種加料罐、接收罐、中間儲(chǔ)罐、成品接收罐等都是儲(chǔ)存容器。壓力容器作為一種重要的存儲(chǔ)設(shè)備，在石油、化工、輕工等工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和重視，特別是大型壓力容器設(shè)備的分析設(shè)計(jì)和使用安全問(wèn)題越來(lái)越突出，因此越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)家和工程技術(shù)人員的關(guān)注。 鋼制球形儲(chǔ)罐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋼制球罐)是一種高效的適于儲(chǔ)存的大型壓力容器設(shè)備，儲(chǔ)存介質(zhì)涵蓋了液化氣體、氧氣、氮?dú)?、天然氣及城市煤氣等，容量大，常常要工作在高壓、高真空、腐蝕和低循環(huán)疲勞載荷等環(huán)境中，安全要求性高，制造工藝也比較復(fù)雜，受結(jié)構(gòu)、自重和試驗(yàn)周期、經(jīng)費(fèi)的限制，現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)難以完成強(qiáng)度設(shè)計(jì)和狀態(tài)監(jiān)控等要求，需要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬等手段來(lái)有效解決試驗(yàn)中存在的問(wèn)題，從而縮減研制經(jīng)費(fèi)和周期。 由于球罐多用于儲(chǔ)存易燃、易爆、有毒介質(zhì)，因而使用中的安全性非常重要。我國(guó)球罐的建造起步晚，雖然發(fā)展較快，但目前同國(guó)際先進(jìn)水平相比還有不小差距，主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造、組焊、材料性能等方面。就球罐的設(shè)計(jì)而言，我國(guó)的球罐設(shè)計(jì)大多數(shù)都是采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，其載荷只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮由于地震、風(fēng)力、壓力波動(dòng)等引起的交變載荷。由于沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，因而考慮材料的許用應(yīng)力時(shí)，安全系數(shù)也取得較大，材料浪費(fèi)較多。目前國(guó)內(nèi)球罐應(yīng)力分析多采用有限單元法，其基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。 1.2 液化石油氣球形儲(chǔ)罐的簡(jiǎn)介 球罐最早出現(xiàn)在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，早期的球罐為鉚接結(jié)構(gòu)。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，球罐制造由鉚接改為焊接，世界各工業(yè)國(guó)家先后著手建造、使用焊接球罐。美國(guó)于1941年、前蘇聯(lián)于1944年、日本于1955年、前聯(lián)邦德國(guó)于1958年分別建造了一些壓力較高、容量較大的球罐。我國(guó)球罐制造始于20世紀(jì)50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)建造的球罐容積大多在以下。1980年以來(lái)，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)特種大型球罐，并大量吸收了國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，球罐設(shè)計(jì)、制造、組裝、焊接與檢驗(yàn)技術(shù)水平得到迅速提高。 1.2.1球形儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (1)球殼形式。鋼制球罐是由許多塊預(yù)先按一定的尺寸壓制成形的球面板拼焊而成，直徑較大。由于球殼是中心對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布均勻，球殼體應(yīng)力是相同直徑圓筒形殼體應(yīng)力的一半，壓力載荷相同的情況下所需板材厚度最小，相同容積的結(jié)構(gòu)表面積最小，與同壓力載荷、同容積的圓筒形容器相比，可節(jié)約材料30%-40%。球罐按其分割和球殼板的組合方式不同，可分為桔瓣式球罐、足球瓣式球罐，現(xiàn)在多采用集兩者之長(zhǎng)的混合瓣式球罐，即赤道帶、溫帶采用桔瓣式分瓣結(jié)構(gòu)，極帶采用足球瓣式分瓣結(jié)構(gòu)。球罐多采用現(xiàn)場(chǎng)組焊，即在制造廠內(nèi)分瓣制造并運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)，球殼的組裝、焊接及無(wú)損檢測(cè)等均在現(xiàn)場(chǎng)完成。 (2)人孔與接管。我國(guó)針對(duì)球罐專(zhuān)門(mén)制定的設(shè)計(jì)、建造標(biāo)準(zhǔn)GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》規(guī)定，球罐一般應(yīng)在上、下極板各設(shè)置一個(gè)人孔，便于建造、使用及檢驗(yàn)時(shí)人員、機(jī)具的出入。對(duì)于必須進(jìn)行焊后整體熱處理的球罐，則上、下人孔應(yīng)設(shè)在球罐的垂直中心線上。目前，大型球罐人孔多采用整體鍛件凸緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，使開(kāi)孔部位應(yīng)力分布更趨合理。根據(jù)儲(chǔ)存物料情況和工藝要求，球罐一般設(shè)置物料進(jìn)出口、儀表接口以及排污口等。接管是球罐的應(yīng)力集中部位，也是檢驗(yàn)的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高接管的安全性，目前大型球罐多采用鍛件厚壁管或整體鍛件凸緣結(jié)構(gòu)。為了便于工藝操作與控制，接管的位置應(yīng)盡量集中在上下極板。 (3)球罐支撐。球罐支撐結(jié)構(gòu)有多種型式，最常用的是赤道正切式。球罐支撐結(jié)構(gòu)主要有支柱、拉桿、支柱底板和地腳螺栓等組成。對(duì)于大型球罐，支柱一般分為兩段或多段，這樣一方面方便運(yùn)輸，另一方面可使支柱上段材質(zhì)與球殼板相同，而下段采用普通結(jié)構(gòu)鋼，避免支柱與球殼板連接成為異種鋼焊縫。支柱、拉桿設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮球罐在操作和水壓試驗(yàn)等工況條件下的壓力、設(shè)備自重和儲(chǔ)存介質(zhì)重量等載荷，而且應(yīng)顧及當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況以及風(fēng)載荷、地震等載荷。 1.2.2球形儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)及各部分名稱(chēng) 鋼制球罐一般由球殼、上下人孔、進(jìn)出氣孔、支柱、托板、拉桿等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。 圖1-1 球罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1.2.3球形儲(chǔ)罐的材料 用于制造壓力容器的材料較多。大多數(shù)壓力容器是碳鋼、低合金鋼、不銹鋼制成的，此外還有用鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金制成的。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的球殼板用鋼主要有16MnR, 15MnNbR, 07MnCrMoVR和07MnNiCrMoVDR等，07MnCrMoVR (07MnNiCrMoVDR)也稱(chēng)之為國(guó)產(chǎn)CF-62鋼，是一種標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度在以上的壓力容器用鋼，自上世紀(jì)80年代研制成功以來(lái)，在壓力容器制造方面，尤其是在鋼制球罐制造方面得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)07MnCrMoVR的同時(shí)，完成了配套鍛件08MnNiCrMoVD和配套焊條的開(kāi)發(fā)，為國(guó)產(chǎn)CF-62鋼在壓力容器及其它工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的逐步提高，即使主體材料選用進(jìn)口CF-62鋼板，配套鍛件也可采用國(guó)產(chǎn)08MnNiCrMoVD鍛件。 1.2.4研究現(xiàn)狀 由于許多國(guó)家都發(fā)生過(guò)球罐脆性開(kāi)裂事故，其后果非常嚴(yán)重，甚至是災(zāi)難性的。國(guó)外已采用先進(jìn)的分析設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)球罐和對(duì)在役中的球罐進(jìn)行強(qiáng)度分析。目前壓力容器及其部件的設(shè)計(jì)可分為基于彈性失效準(zhǔn)則的“規(guī)則設(shè)計(jì)”(Design by Rule)和基于塑性失效準(zhǔn)則的“分析設(shè)計(jì)”(Design by Analysis)。其中分析設(shè)計(jì)法是工程與力學(xué)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，不僅能解決壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)所不能解決的問(wèn)題，而且代表了近代設(shè)計(jì)的先進(jìn)水平。 分析設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是板殼力學(xué)、彈性和塑性理論以及結(jié)構(gòu)的有限單元法。美國(guó)ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范是以應(yīng)力分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的歷史最早的壓力容器規(guī)范，我國(guó)分析設(shè)計(jì)規(guī)范是在美國(guó)ASME鍋爐及受壓容器規(guī)范第八卷第2分篇的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，并于1998年在全國(guó)開(kāi)始實(shí)施，也就是JB4732-1998《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)是以分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，提供了以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則、彈塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)選材、制造和驗(yàn)收規(guī)定了比《GB150-2000鋼制壓力容器》更為嚴(yán)格的要求，若與GB150-2000《鋼制壓力容器》同時(shí)實(shí)施，在滿足各自要求的條件下，可選擇其中之一使用。該標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)壓力大于等于且小于的容器，以及真空度高于或等于的容器，適用的設(shè)計(jì)溫度是低于以鋼材蠕變控制其許用應(yīng)力強(qiáng)度的相應(yīng)溫度。 GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》屬常規(guī)設(shè)計(jì)方法，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了碳素鋼和低合金鋼制球罐的設(shè)計(jì)、制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收的要求，適用于設(shè)計(jì)壓力不大于的桔瓣式或混合式以支柱支撐的球罐;適用的設(shè)計(jì)溫度范圍按鋼材允許的使用溫度確定。球罐的設(shè)計(jì)、制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收除必須符合本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定外，還應(yīng)符合GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定。GB150-1998《鋼制壓力容器》適用于設(shè)計(jì)不大于的容器。 鋼制球罐的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定，主要依據(jù)GB12337-1998 (鋼制球形儲(chǔ)罐》和JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。我國(guó)球罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)最早采用的是常規(guī)設(shè)計(jì)，即為建立在第一強(qiáng)度理論(最大主應(yīng)力理論)基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，得到的結(jié)果較為保守?，F(xiàn)多采用JB4732-1995《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，利用應(yīng)力強(qiáng)度(stress intensity，即SINT)作為強(qiáng)度校核的準(zhǔn)則，其實(shí)質(zhì)是第三強(qiáng)度理論。 在對(duì)鋼制球罐應(yīng)力分析過(guò)程中，有多種分析方法，如解析法、數(shù)值法等，其中有限元法是適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種比較有效的數(shù)值方法，其實(shí)質(zhì)就是具有無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)體理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。目前常采用的有限元分析軟件主要是ANSYS. ANSYS公司于1970年由John Swanson博士創(chuàng)建，其總部位于美國(guó)賓夕法尼亞洲的匹茲堡，開(kāi)發(fā)的ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、交通、軍工、電子、生物醫(yī)學(xué)、水利、石油化工、能源、航空航天等許多領(lǐng)域。30年來(lái)ANSYS軟件不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，隨著交互方式的加入，簡(jiǎn)化了模型的生成和結(jié)果的評(píng)價(jià)。特別是其強(qiáng)大的后處理功能，大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員在有限元分析完成后的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，減少了應(yīng)力分析設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短了設(shè)計(jì)的周期。鋼制球罐時(shí)常盛裝著具有腐蝕性的介質(zhì)，這嚴(yán)重影響著球罐的安全運(yùn)行和使用壽命。在石油、化工行業(yè)，每年由于腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失難以估計(jì)，這些由于環(huán)境介質(zhì)苛刻化帶來(lái)的一系列危險(xiǎn)使人們措手不及。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)70年代開(kāi)始系統(tǒng)研究苛刻介質(zhì)對(duì)設(shè)備的腐蝕影響，建立了研究和管理腐蝕的全國(guó)性機(jī)構(gòu)，成立了各種國(guó)際性組織，舉行了專(zhuān)題的學(xué)術(shù)會(huì)議研究討論腐蝕問(wèn)題，形成了大量專(zhuān)著和專(zhuān)業(yè)性期刊。目前比較成熟的壓力容器缺陷評(píng)定方法主要包括:以線彈性斷裂力學(xué)(應(yīng)力強(qiáng)度因子K準(zhǔn)則)為基礎(chǔ)的評(píng)定方法，如美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME方法；以彈塑性斷裂力學(xué)(COD準(zhǔn)則)為基礎(chǔ)的評(píng)定方法，如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)PD6493方法，中國(guó)CVDA-84。 SAPV 95等；以J積分為基礎(chǔ)的評(píng)定方法，如美國(guó)電子研究院EPRI方法；以脆性斷裂和塑性失穩(wěn)雙判據(jù)(J準(zhǔn)則)為基礎(chǔ)的評(píng)定方法，如英國(guó)中央電力局CEGBR6方法等四大類(lèi)。目前，各種方法逐漸演變?nèi)诤系慕y(tǒng)一發(fā)展趨勢(shì)。 目前在此類(lèi)工程壓力容器問(wèn)題的研究中，有一些主要涉及理論層面，諸如在壓力容器分析設(shè)計(jì)時(shí)如何進(jìn)行合理的應(yīng)力分類(lèi)以及校核線的位置和方向如何選擇等問(wèn)題的分析研究中，陸明萬(wàn)、周羽、王磊等人分別給予了綜合全面的闡述:在工程實(shí)際應(yīng)用方面多是采用一種具體的方法解決一個(gè)具體問(wèn)題，或者是直接給出一些分析結(jié)果進(jìn)行論述。李永泰等在丁烷和天然氣球罐、液化石油氣球罐等問(wèn)題的研究中，重點(diǎn)對(duì)不同支柱型式及其與球罐連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和研究，對(duì)我國(guó)大型重介質(zhì)球罐的設(shè)計(jì)提出了一些基本原則；在氧氣球罐的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)中，對(duì)球罐整體及其上下極開(kāi)孔結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)工況、操作工況、地震工況和壓力波動(dòng)疲勞工況的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和強(qiáng)度評(píng)定，提出了一些分析處理的方法。陳學(xué)東等通過(guò)試驗(yàn)的方法，研究討論了某些壓力容器用鋼在一定工作環(huán)境中的力學(xué)性能，用以對(duì)裂紋擴(kuò)展速率或者壽命進(jìn)行分析評(píng)估?，F(xiàn)有的研究成果和取得的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于球罐分析設(shè)計(jì)的具體過(guò)程或者如何保證分析過(guò)程的準(zhǔn)確性而言還少有研究討論，也沒(méi)有對(duì)鋼制球罐從設(shè)計(jì)到在役的情況進(jìn)行全過(guò)程的綜合分析，因此，利用在這兩個(gè)方面進(jìn)行一些探索也是一個(gè)有益于指導(dǎo)工程實(shí)踐的重要課題。 1.3球形儲(chǔ)罐抗震設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 國(guó)外從60年代開(kāi)始對(duì)一些重要工業(yè)設(shè)備進(jìn)行了抗震研究，取得了較好的成果。我國(guó)在唐山地震之后，收集了大量的震害資料，開(kāi)展了工業(yè)設(shè)備的抗震研究。 近年來(lái)，隨著建筑物抗震經(jīng)驗(yàn)的積累和抗震研究的發(fā)展，考慮到地震的不確定性以及中長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)還不太準(zhǔn)確，因此國(guó)際上對(duì)抗震目標(biāo)逐漸趨向于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震思想。我國(guó)1990年開(kāi)始實(shí)施的GBJ11-1989《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)作了如下規(guī)定: (1)在遭受較常遇到的低于本地區(qū)設(shè)防烈度的常遇地震影響時(shí)，建筑物不損壞； (2)當(dāng)遭受本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，建筑物可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用； (3)在遭受預(yù)估的高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時(shí)，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞。 對(duì)于球形儲(chǔ)罐的常規(guī)設(shè)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外規(guī)范，如日本《高壓瓦斯設(shè)備抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和我國(guó)的GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》，都把球罐看作單質(zhì)點(diǎn)體系，視球殼為剛體，支撐兩端為絞結(jié)，地震載荷作用于球體中心。根據(jù)場(chǎng)地特征、設(shè)防烈度及球罐的自振周期，由標(biāo)準(zhǔn)地震反應(yīng)譜得到最大地震加速度，由此得到作用于球心的地震力。結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算就基于這個(gè)作用于球心的地震力。在這一點(diǎn)上，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只是球罐等效質(zhì)量和系統(tǒng)剛度的取法各有不同。對(duì)于球罐的分析設(shè)計(jì)，全國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的梅林濤等在《球形儲(chǔ)罐應(yīng)力分析及評(píng)定》一文中指出，對(duì)球形儲(chǔ)罐進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，可以將地震力考慮為一種慣性力，通過(guò)給定地震水平加速度和垂直加速度且給定球罐各種材料密度來(lái)實(shí)現(xiàn)地震力的施加，即F=ma。并且考慮到垂直地震作用產(chǎn)生的應(yīng)力水平較低，一般情況下可不考慮垂直地震力的影響。介質(zhì)的地震慣性力可通過(guò)質(zhì)量等效轉(zhuǎn)移法做工程上的處理，即將內(nèi)盛介質(zhì)的質(zhì)量通過(guò)增大球殼的密度來(lái)等效實(shí)現(xiàn)慣性力。另外，中國(guó)天然氣總公司基建局的李娥通過(guò)球形儲(chǔ)罐模型振動(dòng)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了我國(guó)學(xué)者提出的簡(jiǎn)化計(jì)算方法的科學(xué)性和實(shí)用性。盧薇等對(duì)設(shè)備安置和設(shè)備聯(lián)接方式分類(lèi)，建立了工業(yè)設(shè)備的抗震計(jì)算模型和破壞準(zhǔn)則，從而為工業(yè)設(shè)備的抗震計(jì)算和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)?？偟膩?lái)說(shuō)，球形儲(chǔ)罐的抗震研究已取得了很好的成果，但還不是很成熟，計(jì)算過(guò)程中有很多的簡(jiǎn)化。其中一些計(jì)算中未考慮的問(wèn)題，如垂直地面運(yùn)動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響，地面運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)周期分量對(duì)設(shè)備的地震破壞所產(chǎn)生的作用，設(shè)備的隨機(jī)地震反應(yīng)，設(shè)備的初始幾何缺陷的影響等課題正處十進(jìn)一步研究中。 1.4本文研究工作的目的和意義 在工程問(wèn)題中的處理中，各種計(jì)算機(jī)輔助模擬手段有了大量的應(yīng)用，鋼制球罐的分析設(shè)計(jì)也是如此。由于采取的計(jì)算機(jī)輔助手段、模擬方法和依據(jù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)度理論有所不同，所以得出的結(jié)論往往會(huì)有所差別，甚至不同的工程技術(shù)人員采取同樣的手段、方法和標(biāo)準(zhǔn)、理論處理同一個(gè)問(wèn)題仍然可能沒(méi)有得到一致的結(jié)論。本文通過(guò)對(duì)鋼制球罐進(jìn)行系統(tǒng)完整的有限元分析設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)定，尋求在實(shí)踐中解決或者盡可能避免這種得不到一致結(jié)論問(wèn)題的方案。 1.5本文的主要工作 (1).利用ANSYS軟件，建立鋼制球罐的結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格劃分，分別在風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷的工況下對(duì)其進(jìn)行加載計(jì)算。 (2).進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和強(qiáng)度評(píng)定，得到在工程中可以接受的結(jié)果，確保鋼制球罐在專(zhuān)業(yè)操作下正常無(wú)事故使用。  第2章 ANSYS在球罐應(yīng)力分析中的應(yīng)用 2.1 有限元分析基本思路 有限元分析方法起源于二十世紀(jì)五十年代，它是處理連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的一種普遍方法。它開(kāi)始作為應(yīng)力分析的一種數(shù)值方法而出現(xiàn)，用于對(duì)航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，現(xiàn)在則在固體力學(xué)、化工設(shè)備強(qiáng)度設(shè)計(jì)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 從物理角度理解，由單元組合結(jié)構(gòu)近似代替了原連續(xù)結(jié)構(gòu)，若能合理求出各單元的彈性特性，這樣，結(jié)構(gòu)在一定約束力條件下，在給定載荷的作用下，就可以求出各結(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而求解單元的應(yīng)力;從數(shù)學(xué)角度講，有限元法是從變分原理或者加權(quán)殘數(shù)法出發(fā)，把數(shù)理方程的邊值問(wèn)題化為等價(jià)的一組多元線性代數(shù)方程的求解，把求解區(qū)劃分為許多的子域，子域內(nèi)的位移可用相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的待定位移合理插值來(lái)表示，按原問(wèn)題的控制方程和約束條件，可以求解出各節(jié)點(diǎn)的待定位移。在滿足一定的條件下，單元越小，節(jié)點(diǎn)越多，有限元法的數(shù)值精度越高。 有限單元法的基本思路是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示全求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。這樣，一個(gè)問(wèn)題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量(即自由度)，從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題，一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過(guò)插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。顯然，隨著單元數(shù)目的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。 通常有限元分析分為以下三步:先將計(jì)算結(jié)構(gòu)劃分為有限多個(gè)規(guī)則的、有限大小的區(qū)域，稱(chēng)為單元?jiǎng)澐?。一個(gè)構(gòu)件即可看成有限多個(gè)小單元的集合。一般來(lái)講，單元越小，網(wǎng)格密度計(jì)算結(jié)果越精確，同時(shí)要求計(jì)算機(jī)容量也就越大，在保證計(jì)算精度的條件下，單元應(yīng)盡量取少些。在這個(gè)過(guò)程中，需要綜合運(yùn)用工程判斷力決定單元的形狀、大小(網(wǎng)格的疏密)、數(shù)目、單元的排列以及約束的設(shè)置等。然后，在每個(gè)單元的局部范圍里可以采用比較簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)近似表達(dá)單元的位移，把各單元的近似位移函數(shù)連接起來(lái)，就可以近似表達(dá)整個(gè)區(qū)域的真實(shí)位移函數(shù)。最后，通過(guò)節(jié)點(diǎn)平衡或協(xié)調(diào)條件，運(yùn)用疊加原理將各單元的特性關(guān)系組集成整體構(gòu)件的特性關(guān)系，即建立整體構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)位移向量與節(jié)點(diǎn)力向量之間的特性關(guān)系，從而得到一組以節(jié)點(diǎn)位移分量或節(jié)點(diǎn)力分量為未知量的多元一次方程組。這時(shí)引入構(gòu)件的約束條件就可以求解構(gòu)件強(qiáng)度問(wèn)題的數(shù)值解。 上述由構(gòu)件整體劃分成各單元，又從各單元集成整體的分析方法，恰是有限元的獨(dú)特之處。該法的實(shí)質(zhì)是采用分塊近似插值函數(shù)法逼近整體連續(xù)函數(shù)，可使構(gòu)件強(qiáng)度問(wèn)題得到核體離散逼近分塊連續(xù)的近似數(shù)值解，與力學(xué)中的其他各種數(shù)值解相比具有很大的優(yōu)越性。有限元方法有很強(qiáng)的通用性，該方法可以用于各種問(wèn)題，所分析的問(wèn)題可以具有任意的形狀、載荷和邊界條件。有限單元法的另一個(gè)特征是網(wǎng)格與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間高度的物理相似，網(wǎng)格可以將不同類(lèi)形、形狀和物理性質(zhì)的單元混合起來(lái)，網(wǎng)格并不是一種難以形象化的數(shù)學(xué)抽象。 三十多年來(lái)，有限單元法理論得到了完善，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。 由于有限元法具有上述特性，因此我們可以利用它來(lái)對(duì)球形儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，作為分析設(shè)計(jì)的有力手段。 2.2 ANSYS軟件 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)仿真、模擬技術(shù)在工程問(wèn)題分析中的應(yīng)用，而有限元分析技術(shù)作為一種現(xiàn)代分析計(jì)算方法也得以迅速發(fā)展。ANSYS軟件是有限元分析中的佼佼者，它從70年代誕生至今，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，己經(jīng)成為能夠緊跟計(jì)算機(jī)硬、軟件發(fā)展的最新水平，功能豐富、用戶界面友好、前后處理和圖形功能完備的、使用高效的有限元軟件系統(tǒng)，是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，唯一實(shí)現(xiàn)了前、后處理、分析求解及多場(chǎng)禍合分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)功能。ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器，保證了它能夠高效地求解各類(lèi)問(wèn)題，此外，ANSYS還可進(jìn)行概率設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、并可對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶需要的功能。它的完全交互式的前后處理和圖形軟件，減少了用戶建模、計(jì)算分析和結(jié)果評(píng)價(jià)的工作量；它的DDA模塊實(shí)現(xiàn)了它與多種CAD軟件產(chǎn)品的有效連接，使模型和數(shù)據(jù)可以方便地轉(zhuǎn)換。 正是由于ANSYS軟件的卓越性能，1995年，在分析軟件中，第一個(gè)通過(guò)IS09001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)和美國(guó)核安全局(NQA)以及近20種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，在國(guó)內(nèi)，ANSYS分析軟件第一個(gè)通過(guò)國(guó)家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證，并在國(guó)內(nèi)壓力容器行業(yè)推廣。它有專(zhuān)門(mén)為壓力容器設(shè)計(jì)而配備的壓力容器版，可以根據(jù)給定的應(yīng)力處理線，自動(dòng)計(jì)算出薄膜、彎曲和峰值等各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度，簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、省時(shí)，是壓力容器有限元分析計(jì)算的理想工具。 2.3 時(shí)程分析法 地震作為一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的危害。在目前還不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震的情況下，認(rèn)真搞好工程抗震，有著十分重要的意義。本次分析地震的響應(yīng)采用時(shí)程分析法。 結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是一種動(dòng)力反應(yīng)，反應(yīng)的大小不僅與外來(lái)干擾作用的大小及其隨時(shí)間的變化規(guī)律有關(guān)，而且還取決于結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性，即結(jié)構(gòu)的自振周期、振型與阻尼。由于地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)為一種隨機(jī)過(guò)程，運(yùn)動(dòng)極不規(guī)則，而結(jié)構(gòu)為由各種構(gòu)件組成的空間體系，其動(dòng)力特性十分復(fù)雜，故由地震引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)是一種很復(fù)雜的空間振動(dòng)。 目前，在工程上求解結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)為擬靜力方法，或稱(chēng)等效荷載法，即通過(guò)反應(yīng)譜理論將地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用，用等效的荷載來(lái)表示，然后根據(jù)這一荷載用靜力分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力及位移計(jì)算，以校核結(jié)構(gòu)的抗震能力：另一類(lèi)為直接動(dòng)力分析法，即對(duì)動(dòng)力方程進(jìn)行直接積分，求出結(jié)構(gòu)反應(yīng)與時(shí)間變化的關(guān)系，得出所謂時(shí)程曲線，因此亦稱(chēng)時(shí)程分析法。 由于地震作用是一個(gè)時(shí)間過(guò)程，因此反應(yīng)譜法不能反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)過(guò)程中的經(jīng)歷，同時(shí)目前應(yīng)用的加速度反應(yīng)譜屬于彈性分析范疇，當(dāng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震下進(jìn)入塑性階段時(shí)，用此法進(jìn)行計(jì)算將不能得到真正的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，也判斷不出結(jié)構(gòu)真正的薄弱部位。 時(shí)程分析法是根據(jù)選定的地震波和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性曲線，對(duì)結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)微分方程直接進(jìn)行逐步積分求解的一種動(dòng)力分析方法。由時(shí)程分析可得到結(jié)構(gòu)物各質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移、速度和加速度動(dòng)力反應(yīng)，并進(jìn)一步計(jì)算出構(gòu)件應(yīng)力的時(shí)程變化關(guān)系。 時(shí)程反應(yīng)分析是建立在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上的，合理選擇地震波，即結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的加速度(或速度)反應(yīng)曲線十分關(guān)鍵，使之與場(chǎng)地可能發(fā)生的地震動(dòng)力反應(yīng)在動(dòng)強(qiáng)度、譜特征和持續(xù)時(shí)間三個(gè)要素方面均能較好地符合。 2.4應(yīng)力數(shù)據(jù)處理方法 本節(jié)討論有限元計(jì)算后處理-線性化處理的理論和方法。在建立有限元模型劃分網(wǎng)格并施加邊界載荷后，ANSYS軟件可以自動(dòng)進(jìn)行求解。應(yīng)力分布結(jié)果可以通過(guò)應(yīng)力云圖(等值線圖)直觀表示出來(lái)。 計(jì)算后應(yīng)力數(shù)據(jù)處理可采用點(diǎn)處理法、線處理法和面處理法。 點(diǎn)處理法是最簡(jiǎn)單的方法，相對(duì)而言也是不夠準(zhǔn)確的方法，往往掩蓋著潛在的危險(xiǎn)。“線法”和“面法”是兩種較精確的方法，它們主要是利用沿壁厚的一條線或一個(gè)面上的應(yīng)力值進(jìn)行擬合，進(jìn)而計(jì)算出各類(lèi)應(yīng)力強(qiáng)度。顯然，“面法”是最精確的方法，也是最復(fù)雜的方法。鑒于此，本文對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果采用線處理法。 線處理法是將容器各計(jì)算部位應(yīng)力，按選擇的危險(xiǎn)截面把各應(yīng)力分量沿一條應(yīng)力處理線首先進(jìn)行均勻化和當(dāng)量線性化處理，然后進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)評(píng)價(jià)。均勻化處理后的平均應(yīng)力，其值屬薄膜應(yīng)力；當(dāng)量線性化處理后，線性部分應(yīng)力屬?gòu)澢鷳?yīng)力，剩余的非線性部分即為峰值應(yīng)力。 關(guān)于沿線的應(yīng)力處理與分類(lèi)可采用以下方法： (l)先將沿線各點(diǎn)的應(yīng)力分量(有限元法計(jì)算結(jié)果)擬合出各自的應(yīng)力分量分布曲線。6個(gè)應(yīng)力分量擬合出6條分布曲線。例如經(jīng)向正應(yīng)力，按二次曲線用最小二乘法擬合得出為： （2-1） 式中:—應(yīng)力處理線上的無(wú)量綱局部坐標(biāo)，即，為處理線全長(zhǎng)，為處理線上含量綱的坐標(biāo)，當(dāng)， ，即為該線的一端;當(dāng)，，即為該線的另一端，此點(diǎn)為最大應(yīng)力點(diǎn)； —擬合曲線常數(shù)，Mpa。 (2)根據(jù)擬合曲線公式，沿處理線按合力等效可以得出平均應(yīng)力；再按凈彎矩等效可以得出處理線端點(diǎn)的線性彎曲應(yīng)力和其線性應(yīng)力。而擬合曲線的最大應(yīng)力則在處理線的端點(diǎn)或處。現(xiàn)仍以上式的二次式為例， 由此得出 （2-3） 兩端的線性應(yīng)力為平均應(yīng)力與線性彎曲應(yīng)力之和，即 當(dāng)時(shí)， （2-4） 當(dāng)時(shí)， （2-5） 二次曲線擬合的最大應(yīng)力， 當(dāng)，當(dāng)時(shí)一端， （2-6） 若，則的一端， (3)根據(jù)各應(yīng)力分量的平均應(yīng)力、最大線性應(yīng)力和曲線擬合的最大應(yīng)力，計(jì)算出各自的主應(yīng)力。 (4)計(jì)算出各自的應(yīng)力強(qiáng)度(，第三強(qiáng)度理論)。平均應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度 (視其作用范圍是總體的還是局部的，歸屬于或)。線性應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度歸屬于。 當(dāng)操作工況要求進(jìn)行疲勞分析時(shí)，則還需采用擬合應(yīng)力最大值的應(yīng)力強(qiáng)度，此即屬于。 這一過(guò)程在指定路徑后，可以由ANSYS自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。 在線處理法中應(yīng)注意危險(xiǎn)截面的選擇，即確定應(yīng)力處理線的位置和走向，這是關(guān)系到計(jì)算平均應(yīng)力和當(dāng)量線性應(yīng)力、峰值應(yīng)力大小的重要步驟。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第3章 液化氣球形儲(chǔ)罐有限元計(jì)算模型的建立 3.1 問(wèn)題描述 球殼本體材料為15MnNbR，內(nèi)直徑為15700mm，名義厚度為44mm。上支柱為U型支柱，頂部蓋帽由10mm厚16MnR鋼板卷制而成，U型內(nèi)部的水平和垂直兩塊加強(qiáng)板均為10mm厚16MnR鋼板，上下支柱之間的支撐板為44mm厚16MnR鋼板，下支柱用Q235A鋼板卷制成的鋼管，共10根。拉桿選用20鋼制成的圓鋼，在每相鄰支柱間交叉布置，支柱底板為54mm厚Q235A鋼板。支柱底部底面至球殼中心的距離為10340mm，上支柱高度為2700mm，底板直徑為986mm。16MnR的彈性模量，泊松比0.3，常溫下強(qiáng)度指數(shù)為。20鋼的彈性模量，常溫下強(qiáng)度指數(shù)為。 3.2 建模構(gòu)想 石油化工裝置不可缺少的重要設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用。目前我國(guó)的球罐設(shè)計(jì)絕大多數(shù)都是采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，只考慮單一的最大載荷工況，按一次加載處理，不考慮交變載荷。由于沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，只能把局部應(yīng)力粗略地控制在一個(gè)安全水平上，在考慮材料許用應(yīng)力時(shí)選取相對(duì)高的安全系數(shù)，留有足夠的安全裕度。目前國(guó)內(nèi)球罐應(yīng)力分析多采用有限單元法。采用有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。 利用ANSYS軟件中強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，采用實(shí)體建模的方法創(chuàng)建模型、對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分從而進(jìn)行加載計(jì)算，處理后便可得出結(jié)果。采用由頂向下的方法構(gòu)造三維有限元模型。 由于球罐配有十根支柱，不是完全的軸對(duì)稱(chēng)圖形，因此選取整個(gè)球罐帶作為研究對(duì)象。建模過(guò)程中，首先選擇結(jié)構(gòu)分析類(lèi)型，在前處理程序中，定義好單元類(lèi)型和材料常數(shù)，然后在工作平面內(nèi)創(chuàng)建所有幾何體結(jié)構(gòu)。上部為U型支柱，先創(chuàng)建上支柱頂部蓋帽，依次建立U型外壁及U型上支柱內(nèi)壁中水平和垂直兩塊加強(qiáng)板。上下支柱之間的支撐板是由一塊半圓板和一塊梯形板組成，梯形板的形成需要用面拉伸的方法生成。需要注意的是，上支柱的頂部蓋帽、U型支柱直邊以及支撐板的梯形部分必須與球殼相切，這樣才能在后續(xù)的加載計(jì)算中得出正確可靠的結(jié)果。 3.3 單元類(lèi)型的選擇及網(wǎng)格劃分 三維有限元的計(jì)算結(jié)果與采用的單元形式及劃分網(wǎng)格的方法密切相關(guān)，單元類(lèi)型對(duì)于得到正確的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要，因此必須根據(jù)被離散區(qū)域形狀、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、計(jì)算分析類(lèi)型等正確選擇單元類(lèi)型。本模型球體部分選用的單元類(lèi)型是SHELL63。SHELL63板殼單元，每單元4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每節(jié)點(diǎn)共有六個(gè)自由度，分別為沿x, y, z的位移及繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)Rx, Ry, Rz。其他部分網(wǎng)格劃分采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體等參元(SOLID95)，該單元是8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID45的更高層次的型式，它能在確保精度不受影響的情況下容納某些不規(guī)則形狀單元，容錯(cuò)功能強(qiáng)，并且能與任何位移和形狀相協(xié)調(diào)，尤其對(duì)曲線邊界有很好的適應(yīng)性，可適用于空間、塑性變形、蠕變、應(yīng)力硬化、大彎曲、大應(yīng)變等各種場(chǎng)合。 對(duì)于球殼與支柱連接區(qū)域的幾何形狀不連續(xù)、切線為曲線以及應(yīng)力、變形求解的需要，采用SOLTD95單元進(jìn)行分析計(jì)算是最為恰當(dāng)?shù)摹? 在建立有限元模型中，網(wǎng)格劃分是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。所劃分的網(wǎng)格將直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算的規(guī)模。對(duì)于十支柱采用赤道正切U形柱結(jié)構(gòu)的球罐而言，網(wǎng)格劃分的難點(diǎn)在十支柱柱體、U形柱與連接板二者的結(jié)合部位以及支柱蓋板和球殼的結(jié)合處。 由于此處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，連接板上表面與下表面的幾何拓?fù)洳町惡艽螅颂幍木W(wǎng)格較難處理，很多有限元分析軟件都只能將其處理為全四面體單元。 3.4 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 網(wǎng)格劃分過(guò)程涉及到一個(gè)必不可少的步驟，即對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的度量或評(píng)判。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)單元質(zhì)量的度量或評(píng)判并沒(méi)有公認(rèn)的或絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，有限元工作者們從不同角度提出了各種判據(jù)或準(zhǔn)則，綜合起來(lái)包括以下常用的幾種: (1)單元邊長(zhǎng)比(Respect Ratio)是指單元最長(zhǎng)邊和最短邊的比值。它反映的是單元外觀的差異，一般認(rèn)為比值越接近1越好。 (2)偏斜度(Skew)反映的是單元夾角的偏斜程度，即與理想形狀的差異。一般認(rèn)為該值接近零越好。 (3)翹曲度(Warpage)反映單元的扭曲程度。例如四邊形單元，翹曲度指的是單元對(duì)角線分割的兩三角形垂直矢量間的夾角。理想單元的翹曲度為零。 (4)雅各比數(shù)(Jacobian)即雅可比行列式的值。雅可比行列式是一個(gè)多變量函數(shù)的行列式，其值不能為0，也不能為負(fù)數(shù)。從幾何意義上看，三角形單元以正三角形內(nèi)切圓、四面體單元以正四面體內(nèi)切圓、六面體單元以正方體內(nèi)切圓的面積/體積為標(biāo)準(zhǔn)，雅各比數(shù)是用一內(nèi)切圓/球放入平面/立體單元內(nèi)，其所占面積/體積與標(biāo)準(zhǔn)面積/體積的比例來(lái)衡量單元質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。雅各比數(shù)必須大于零，即單元必須是凸的。 為建立正確、合理的有限元模型，在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要在網(wǎng)格的數(shù)量、疏密、階次、質(zhì)量、分界點(diǎn)、編號(hào)等方面給予足夠的考慮。 (1)網(wǎng)格數(shù)量是網(wǎng)格數(shù)量的多少將直接影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)，計(jì)算規(guī)模也會(huì)隨之增加。因此應(yīng)該權(quán)衡此兩個(gè)因數(shù)，綜合考慮。對(duì)于動(dòng)力分析而言，網(wǎng)格的數(shù)量一般都相對(duì)較多。結(jié)合對(duì)成本和計(jì)算環(huán)境要求的考慮，在滿足精度的情況下盡量減少網(wǎng)格的數(shù)量。 (2)網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)的不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布結(jié)構(gòu)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如本研究中支柱與殼體的連接處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格；反之，則采用比較稀疏的網(wǎng)格。本研究中，支柱與殼體的連接處采用最密集的網(wǎng)格 以四倍的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，由連接處想外擴(kuò)展，密疏逐漸過(guò)渡，分別以兩倍和一倍網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以保證接管相貫區(qū)的計(jì)算精度。此外，有必要檢測(cè)高應(yīng)力區(qū)附近單元的質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)于質(zhì)量較差單元，逐一調(diào)整單元參數(shù)，以保證單元質(zhì)量，確保計(jì)算精度。 (3)由單元階次方面看，許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱(chēng)為高階單元。高階單元的曲線能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)曲線和曲面邊界，且高次插值能夠更好地逼近復(fù)雜函數(shù)，因此選用高階單元可以提高計(jì)算精度，但是其計(jì)算規(guī)模也要大很多。當(dāng)適當(dāng)增加網(wǎng)格數(shù)量可以提高到規(guī)定的計(jì)算精度時(shí)，原則上不提倡使用高階單元。本次研究采用三維20節(jié)點(diǎn)等參單元計(jì)算出的結(jié)構(gòu)己經(jīng)滿足精度要求。 (4)網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性，其好壞將影響計(jì)算精度。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過(guò)分扭曲，邊界點(diǎn)位于邊界等分點(diǎn)的網(wǎng)格質(zhì)量較好。本次研究中采用自由網(wǎng)格劃分方式，滿足程序要求。結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)該分為網(wǎng)格邊界或者節(jié)點(diǎn)以便定義材料特性、物理特性和位移約束條件，即應(yīng)讓邊界條件來(lái)適應(yīng)網(wǎng)格，如材料分界面、結(jié)合尺寸的突變面等。本次研究中材料種類(lèi)相同，因此只需考慮幾何尺寸的突變面、連接面等邊界條件。 (5)而位移協(xié)調(diào)性是指單元上的力和力矩能夠通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞給相鄰單元。本次研究中的模型為三維實(shí)體模型，相鄰單元的共有單元具有相同的自由度性質(zhì)，故能夠滿足位移協(xié)凋性。 (6)節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào)影響節(jié)點(diǎn)總剛度矩陣的帶寬和波前數(shù)，團(tuán)而影響計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)容量的大小。因?yàn)锳NSYS程序本身帶有優(yōu)化器，故在本次建模過(guò)程中，直接由程序定義節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元號(hào)。 對(duì)于復(fù)雜的三維模型，ANSYS軟件提供了三種方法網(wǎng)格劃分方法。 (1)自由網(wǎng)格劃分 自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上(平面、曲面)可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。通常情況下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(shù)(SMARTSIZE命令)來(lái)自動(dòng)控制網(wǎng)格的大小和疏密分布，也可進(jìn)行人工設(shè)置網(wǎng)格的大小(AESIZE, LESIZE, KESIZE, ESIZE等系列命令)并控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等(MOPT命令)。對(duì)于復(fù)雜幾何模型而言，這種分網(wǎng)方法省時(shí)省力，但缺點(diǎn)是單元數(shù)量通常會(huì)很大，計(jì)算效率降低。同時(shí)，由于這種方法對(duì)于三維復(fù)雜模型只能生成四面體單元，為了獲得較好的計(jì)算精度，往往需要采用二階四面體單元，由此帶來(lái)的問(wèn)題是計(jì)算量的倍增。 (2)映射網(wǎng)格劃分 映射網(wǎng)格劃分是對(duì)規(guī)整模型的一種規(guī)整網(wǎng)格劃分方法，其原始概念是：對(duì)于面，只能是四邊形面，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)需在對(duì)邊上保持一致，形成的單元全部為四邊形;對(duì)于體，只能是六面體，對(duì)應(yīng)線和面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)保持一致；形成的單元全部為六面體。這種方法對(duì)于幾何模型的規(guī)整度要求較高，對(duì)于三維復(fù)雜幾何模型而言，通常的做法是利用ANSYS布爾運(yùn)算功能，將其切割成一系列四、五或六面體，然后對(duì)這些切割好的體進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。這種純粹的映射劃分方式比較煩瑣，需要的時(shí)間和精力較多。 (3)掃略網(wǎng)格劃分 對(duì)于由面經(jīng)過(guò)拖拉、旋轉(zhuǎn)、偏移(VDRAG, VROTAT, VOFFST, VEXT等系列命令)等方式生成的復(fù)雜三維實(shí)體而言，可先在原始面上生成殼(或MESH200)單元形式的面網(wǎng)格，然后在生成體的同時(shí)自動(dòng)形成三維實(shí)體網(wǎng)格；對(duì)于已經(jīng)形成好了的三維復(fù)雜實(shí)體，如果其在某個(gè)方向上的拓?fù)湫问绞冀K保持一致，則可用(人工或全自動(dòng))掃略網(wǎng)格劃分(VSWEEP命令)功能來(lái)劃分網(wǎng)格；這兩種方式形成的單元幾乎都是六面體單元。通常，采用掃略方式形成網(wǎng)格是一種非常好的方式，對(duì)于一些復(fù)雜幾何實(shí)體，經(jīng)過(guò)一些切分處理，就可以自動(dòng)形成規(guī)整的六面體網(wǎng)格，它比映射網(wǎng)格劃分方式具有更大的優(yōu)勢(shì)和靈活性。這種方法的前提是必須將幾何模型切分為在某個(gè)方向上拓樸形式一致的塊，而對(duì)于一些復(fù)雜的三維模型，能做到這一點(diǎn)也是很難的。因此這種方法也有其局限性。  第4章 液化氣球形儲(chǔ)罐有限元分析 4.1 風(fēng)載荷下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 當(dāng)球殼受到風(fēng)載荷時(shí)，受載荷面為球面的某一部分，并且沿球面是隨時(shí)間變化的函數(shù)。在球坐標(biāo)的環(huán)境下設(shè)置風(fēng)載荷，風(fēng)速為60N/m，風(fēng)激勵(lì)簡(jiǎn)化后加載函數(shù)為 風(fēng)以一定的速度吹繞過(guò)設(shè)備，也給設(shè)備施加水平作用力，使設(shè)備承受彎矩，同時(shí)由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，還會(huì)引起設(shè)備的振動(dòng)；在一定條件下，更會(huì)產(chǎn)生風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)。上述的各種載荷如何組合，需根據(jù)不同情況來(lái)分析，以確定實(shí)際可能發(fā)生的最危險(xiǎn)的狀態(tài)。 氣流繞流過(guò)靜止的構(gòu)筑物而施加給構(gòu)筑物的力是很復(fù)雜的，它與構(gòu)筑物的形狀、表面狀況以及氣流繞流雷諾數(shù)等有關(guān)。 圖4-1 整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖 圖4-2 支柱X向軸力云圖 圖4-3 托板等效應(yīng)力云圖 提取設(shè)備在風(fēng)載荷作用下的上下兩節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲線(圖4-4)進(jìn)行觀察，球罐上節(jié)點(diǎn)的速度變化大于下節(jié)點(diǎn)的變化，這是因?yàn)榍蚬奚喜渴艿斤L(fēng)載荷影響較大。由上節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲（圖4-5）可讀出上節(jié)點(diǎn)地位移在0.5秒之后趨于平穩(wěn)，從支柱部位發(fā)生變形。進(jìn)一步觀察托板部分后處理(無(wú)連接板)合位移云圖（圖4-6）及支柱部分合位移云圖（圖4-7），可以看到最大合位移出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)。在Y方向上球罐各節(jié)點(diǎn)的位移和速度隨時(shí)間變化不明顯。 圖4-4 上下兩節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲線 圖4-5 上節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲線 圖4-6 托板部分后處理(無(wú)連接板)合位移云圖 圖4-7 支柱部分合位移云圖 用函數(shù)加載的方法，較以往將設(shè)備分成若干段，并設(shè)每段作用的風(fēng)壓值均勻分布，其大小就是該段中點(diǎn)處的風(fēng)壓值的計(jì)算方法，更接近實(shí)際載荷情況，而且結(jié)果更加準(zhǔn)確、直觀。由球形儲(chǔ)罐在風(fēng)載荷下的變形圖可知，在風(fēng)載荷的作用下支柱部位發(fā)生變形，致使迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)的軸向應(yīng)力情況不再對(duì)稱(chēng)。對(duì)計(jì)算結(jié)果提取軸向應(yīng)力，找到支柱在風(fēng)載荷柞用下的最大、最小軸向應(yīng)力，用以對(duì)支柱進(jìn)行弧度評(píng)價(jià)。 4.2 地震載荷下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 地震作為一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的危害。在目前還不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震的情況下，認(rèn)真搞好工程抗震，有著十分重要的意義。地震載荷對(duì)于球罐來(lái)說(shuō)，是不可忽視的。由于地震地面運(yùn)動(dòng)的特性受到許多因素的影響，即使同一地點(diǎn)、相同的地震烈度，前后兩次地震記錄到的地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程曲線也可能有很大差別。已知地震波的記錄，取其垂直方向和南北方向的記錄，記錄時(shí)長(zhǎng)，每隔一定時(shí)間間隔記錄其載荷值的變化情況。 結(jié)構(gòu)在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程為 （4-1） 式中各項(xiàng)分別為:慣性力、阻尼力、彈性恢復(fù)力和激勵(lì)力:其中[M]、[C]、[K]分別為模型的質(zhì)量矩陣·阻尼矩陣、剛度矩陣；、、分別為節(jié)點(diǎn)的加速度、速度、位移向量；為地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度。假定阻尼矩陣[C]是質(zhì)量矩陣[M]和剛度矩陣防[K]的線性組合 （4-2） 式中 、一般應(yīng)取結(jié)構(gòu)第一、二角頻率，阻尼比、氛取在0.01到0.1之間。計(jì)算得到、后，由式(4-1)得[C]，然后對(duì)式(4-2)直接積分，則可得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)時(shí)程。 對(duì)于多自由度體系，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的彈性力分量，依賴(lài)于結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的位移分量: （4-3） n為用來(lái)描繪結(jié)構(gòu)位移的自由度的數(shù)目。方程(4-3)表示n個(gè)運(yùn)動(dòng)方程，用來(lái)確定多自由度體系的反應(yīng)。因?yàn)榧俣私Y(jié)構(gòu)的行為是線性的，因此應(yīng)用了疊加原理。用矩陣表示全部彈性力的關(guān)系式，則可以寫(xiě)成： 即 =KV （4-4） 同理，與所選擇的自由度對(duì)應(yīng)的阻尼力可以表示為： 即 =CV （4-5） 慣性力表達(dá)式： 即 （4-6） 有限單元法提供了計(jì)算彈性特性的最方便的方法，把結(jié)構(gòu)分割成只在有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處相互連接的離散單元體系，通過(guò)計(jì)算單個(gè)有限單元的特性并適當(dāng)?shù)貙⑺鼈儻B加，就得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的特性。再利用高斯積分法求出結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)，進(jìn)而求出結(jié)構(gòu)的反應(yīng)內(nèi)力。 圖4-8 整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖. 經(jīng)過(guò)加載計(jì)算，得出球罐上下兩節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲線（圖4-9）?？梢钥闯鲈诘卣疠d荷的作用下，上節(jié)點(diǎn)在X方向速度的變化為，大于其下節(jié)點(diǎn)的變化，說(shuō)明在地震載荷的作用下，對(duì)球罐上部的影響大于對(duì)下部的影響。而圖4-11所示為在地震載荷下，上下兩節(jié)點(diǎn)的Y向位移隨時(shí)間變化曲線。同樣上節(jié)點(diǎn)的波動(dòng)依然大于下節(jié)點(diǎn)，但相差不大。 圖4-9 上下兩節(jié)點(diǎn)的X向速度隨時(shí)間變化曲線 圖4-10 上下兩節(jié)點(diǎn)的X向位移隨時(shí)間變化曲線 圖4-11 上下兩節(jié)點(diǎn)的Y向位移隨時(shí)間變化曲線 采用時(shí)程分析法對(duì)球形儲(chǔ)罐的地震反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，克服了以往計(jì)算地震載荷時(shí)，僅由地震烈度和地震影響系數(shù)所確定的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的平均響應(yīng)情況，而沒(méi)有考慮地震的波動(dòng)性對(duì)設(shè)備造成的破壞的放大作用。通過(guò)后處理程序提取地震過(guò)程中拉、壓應(yīng)力危害最大的工況，得到結(jié)構(gòu)各部分在該工況下的應(yīng)力響應(yīng)，從而可以對(duì)所關(guān)心的局部區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度校核，以利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。 4.3 雪載荷下靜力學(xué)分析 雪載荷是北方地區(qū)必須要考慮的一項(xiàng)指標(biāo)，它的受力面主要是在于球罐的頂部。在本次研究中，球罐上部的基本雪載荷設(shè)定為450N/m。經(jīng)過(guò)年初南方所遭受的重大雪災(zāi)之后，球罐針對(duì)雪載荷的防范安全措施，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。由雪載荷下整體合位移云圖（見(jiàn)圖4-13）可知，整體結(jié)構(gòu)在雪載荷下的最大位移為0.002037m。 圖4-12 雪載荷下拉桿合位移云圖. 圖4-13 雪載荷下整體合位移云圖 第5章 液化石油氣球形儲(chǔ)罐的強(qiáng)度評(píng)定 塑性理論指出，由彈性應(yīng)力分析求得的各類(lèi)名義應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)性是不同的。根據(jù)等安全裕度原則，危險(xiǎn)性較小的應(yīng)力可以比危險(xiǎn)性較大的應(yīng)力取更高的許用應(yīng)力強(qiáng)度值。同時(shí)，由板殼理論或彈性力學(xué)求解出的應(yīng)力，根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因和導(dǎo)出應(yīng)力的方法可分為三類(lèi)共五種，即一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力。 5.1應(yīng)力分類(lèi)及應(yīng)力評(píng)定 在壓力容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)過(guò)程中，壓力容器部件設(shè)計(jì)所關(guān)心的是應(yīng)力沿壁厚的分布規(guī)律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核線”來(lái)代替校核截面。而基于彈性力學(xué)理論的有限元分析方法，是一種對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化后再求解的方法。即它計(jì)算出來(lái)的是結(jié)構(gòu)離散化后節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。為了獲得所選“校核線”上的應(yīng)力分布規(guī)律及大小，采用應(yīng)力等效線性化原理對(duì)節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值進(jìn)行后處理，即應(yīng)力分類(lèi)。 ANSYS軟件可以用圖示或列表方式來(lái)顯示用戶所定義截面上節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的分布，即路徑操作(Path Operation)，也就是應(yīng)力等效線性化方法。將容器危險(xiǎn)截面上各應(yīng)力分量沿應(yīng)力分布線進(jìn)行均勻化和線性化處理，并將得到沿應(yīng)力分布線的平均應(yīng)力(薄膜應(yīng)力)、線性應(yīng)力(彎曲應(yīng)力)和應(yīng)力的非線性部分，再根據(jù)應(yīng)力對(duì)容器失效所起的作用的大小分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，并計(jì)算出不同應(yīng)力類(lèi)型及其組合的應(yīng)力強(qiáng)度，要求相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度不超過(guò)各自的許用值。這種沿容器壁厚應(yīng)力分布的等效線性化處理是對(duì)有限元應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力分類(lèi)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，已被國(guó)內(nèi)外普遍采用。 應(yīng)力評(píng)定線需要穿過(guò)容器內(nèi)外表面，評(píng)定線應(yīng)當(dāng)取最危險(xiǎn)的截面，然而只有計(jì)算出評(píng)定線上的各種應(yīng)力強(qiáng)度之后才會(huì)知道哪一條線最危險(xiǎn)，因此應(yīng)當(dāng)在最大應(yīng)力位置及臨近區(qū)域盡可能多地取評(píng)定線，分別進(jìn)行評(píng)定。對(duì)于球罐找出沿徑向的最短路徑需要一定技巧，分析者應(yīng)確保找出的路徑是最短的并盡量沿壁厚方向.只有這樣線性化的結(jié)果才是正確的。 5.2強(qiáng)度評(píng)定 通常情況下，由于有限元建模和網(wǎng)格劃分形式不同，產(chǎn)生的單元和節(jié)點(diǎn)的具體情況也將不同，以及分析者個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)等原因，在應(yīng)力等效線性化時(shí)，選擇的路徑會(huì)有一定差別，得到的強(qiáng)度評(píng)定值也會(huì)有所差異，但不應(yīng)該影響到強(qiáng)度評(píng)定的結(jié)果。 峰值應(yīng)力是由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)，而加到一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，具有自限性和局部性，在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，則必須對(duì)峰值應(yīng)力加以限制。在本球罐的強(qiáng)度評(píng)定中，因峰值應(yīng)力比較小而予以忽略。在有限元分析過(guò)程中，沒(méi)有考慮拉桿的接觸分析，對(duì)支柱的穩(wěn)定性也沒(méi)有做進(jìn)一步校