液化石油气罐在石油天然气行业使用十分广泛，因其工作环境恶劣，所以设计和安装的要求相对较高。
目前，CAD/CAE技术飞速发展，已经形成了相互渗透的状态，设计验证技术应运而生，其中有限元法是该领域常被采用的一种计算方法，是一种求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值方法，已在工程领域得到非常广泛的应用。本文笔者首先建立三维模型，然后采用有限元分析法模拟液化石油气罐的工况，对其机构刚度进行校核，以验证结构是否满足实际工作情况。 一、气罐的结构和工况简介
液化石油气罐主要是由支柱、拉杆、赤道板、极边板、极侧板、基础滑板及紧固件等组成，产品如图1所示。在工作时，气罐内部石油被点燃，生成直径约800mm的火焰柱，烟气温度达到660℃，要分析此温度下罐体的刚度强度情况。同时，外界环境有风载，风载大小300Pa，需予以考虑。因此，需要做热力学分析，考虑产生的热应力对结构的影响，把热分析的结果作为条件加载到静力分析中进行计算，得出结论。
二、有限元分析仿真
Simulation是与SolidWorks完全集成的设计分析一体化软件，操作方便，易学易用，简单直观，普通产品设计工程师就可以用其进行分析，并迅速得到结果，及时发现问题所在。Simulation可以分析从简单到复杂的零件和装配体，其提供的模块能够进行强度分析、热分析、疲劳分析、频率分析和非线性分析等。
1.有限元分析的基本步骤
不管项目多复杂或应用领域多广，无论是结构、热传导，还是声学分析，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是一样的，主要分为三个基本步骤：前处理、求解及后处理。Simulation的实际应用分析思路遵从以下基本步骤：前处理→创建算例→应用材料→添加约束→定义连结→施加载荷→划分网格→运行分析→观察分析结果。
2.前处理
如图2a所示是建好的液化石油气罐的三维模型，在分析时对模型进行了简化和理想化。液化石油气罐本身是由多块赤道板焊接而成，将其理想化成一个球体;拉杆、基础滑板等对罐体本身强度的影响不大，简化去掉;一些对罐体强度影响不大的孔可以忽略，对一些小零件同样适用这一原则。处理后的模型如图2b所示。
3.创建算例
首先创建一个热分析算例。
4.应用材料
罐体和支柱以多实体的方式存在，应用不同的材料。罐体材料为：Q235R板材，比容：1386J/(kg·K)，密度：7830kg/m3，热导率与温度相关，如图3所示;支柱材料为：Q235R管材，比容：1386J/(kg·K)，密度：7830kg/m3，热导率与温度相关，如图3所示。
5.添加约束
此热分析不用添加约束。
6.定义连结
整体添加全局接触，支柱和罐体之间因为是焊接一起，可以通过添加接合来模拟。
7.施加载荷
罐体上指定温度载荷660℃，所有支柱的对流系数设定为15.6(W/m2)/K。
8.划分网格并运行分析
支柱的网格单元使用“实体单元”，罐体的宽高比大于20，对其使用“壳单元”，调整网格的大小，进行划分网格。尺寸越小，网格越精细，相应求解规模越大，运算时间越长。运行分析得到结果，如图4所示。
9.新建静力算例
新建一个静力分析算例。在静力分析算例的属性中将热分析的结果作为条件加载进来，如图5所示。
10.添加连结、约束和载荷
将连结从热分析复制过来，所有支柱底部添加固定约束，在气罐的一半部位加载300N/m2的正弦分布载荷。
11.划分网格并运行
对罐体进行网格控制，划分网格，如图6所示，运行算例。
12.结果分析
如图7所示，从应力的图解可以看出，热应力对结构的影响主要是支柱跟罐体焊接的区域，这和实际情况一致。
三、结语
有限元分析的结果直观显示了受力分布情况、薄弱部位等信息，能够判断过热产生的热应力对各部件的影响，为
液压石油气罐的设计提供依据，也为此类产品的设计提供一种热应力分析的方法参考。另外，Simulation有限元网格划分和求解的速度极快，极大地方便了工程技术人员在设计过程中的应用，为解决复杂的工程分析计算问题提供了快速而有效的途径。
发表于 2013-4-27 09:14:12
