CN103699748A

CN103699748A - 撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法

Info

Publication number: CN103699748A
Application number: CN201310733710.0A
Authority: CN
Inventors: 葛银明; 杨林; 林盛; 王文波; 李贺松; 毛海东; 员晓辉
Original assignee: ZENITH ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: ZENITH ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103699748B

Abstract

本发明公开了一种撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，包括以下步骤：1）根据撬装化工厂框架结构设计图，初步确定决定吊装点在坐标系OXYZ中位置的设计参数；2）利用ANSYS软件对撬装化工厂框架进行模型简化；3）根据经验设计方案初步确定变量的数值，并进行静态分析；4）根据最大变形量或最大应力对变量数值的灵敏度缩减优化区间并得出四组设计方案，确定优化目标，并将上述一组设计方案中优化目标最小的作为初始优化设计方案；5）采用坐标轮换法优化确定撬装化工厂框架吊装点，最终得到撬装化工厂框架吊装点位置。利用本发明方法设计吊装点位置，比传统的经验法确定的位置，最大变形量和最大应力分别减少了10%左右。

Description

撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法

技术领域

本发明涉及一种框架吊装点最优位置的确定方法，尤其涉及一种撬装化工厂框架吊装点位置的计算及布置。

背景技术

随着化工厂的改进升级，化工厂设计出现了一种撬装化趋势，撬装化是将一些设备或者阀门，集成在一个类似集装箱的框架结构上，这样使原本在化工厂工地的工作量转移到了车间，大大加快了化工厂的建设进程，并且在车间制作撬装也保证了产品质量。撬装框架吊装点位置不仅影响吊装时框架的平稳性，而且影响框架的挠度变化，因此吊装点位置的计算显得尤为重要。吊装时，框架的变形过大，不仅会改变框架上的质量分布，造成吊装时出现倾斜、晃动，影响吊装的平稳性，而且甚至会导致焊缝开裂，损害框架上的设备。另外吊装点选择不合适也无法充分发挥材料的力学性能，导致框架尺寸和质量增加，进而增加了成本。传统吊装点位置多根据经验对称分布，缺乏理论计算，往往依靠增大材料尺寸弥补，不利于轻量化和最优化设计。化工厂撬装化趋势已日趋明显，撬装化工厂将日益增多，为了更好的运输和转移这种化工厂，利用传统的依据经验设计吊装点位置已无法满足实际的应用需求，而且往往会因为吊装时变形和应力过大，造成吊装的剧烈晃动和倾斜，甚至会出现焊缝的开裂和螺纹的实效。

发明内容

针对传统经验无法获得吊装孔的最佳位置，因此，本发明提供一种撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，本发明通过CAD、CAE技术建立较为简单的化工类撬装框架有限元模型，并通过不断改变吊装点位置，求出框架最大挠度的最小值，从而给出吊装点的理论最佳位置。

为了解决上述技术问题，本发明一种撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，包括以下步骤：

步骤一、根据撬装化工厂框架结构设计图，初步确定决定吊装点在坐标系OXYZ中位置的设计参数：

设撬装化工厂框架的侧梁长度为W，主支撑梁的长度为L；

以撬装化工厂框架的任一下端角点作为坐标原点建立坐标系OXYZ，其中X方向为沿框架底端侧梁方向、Y方向为沿框架竖梁方向、Z方向为沿框架底端主支撑梁方向，在上述坐标系OXYZ下定义四个吊装点A（X_A，Y_A，Z_A）、B（X_B，Y_B，Z_B）、C（X_C，Y_C，Z_C）、D（X_D，Y_D，Z_D），将其中的Z_A、Z_B、Z_C、Z_D作为优化设计变量；

步骤二、利用ANSYS软件对撬装化工厂框架进行模型简化：

提取框架筋板的中性面及载荷作用面，并利用三维绘图软件建立该框架的曲面模型，将该曲面模型存为.IGS中性文件，并将该.IGS中性文件导入ANSYS软件中进行前处理；

步骤三、根据经验设计方案初步确定Z_A、Z_B、Z_C、Z_D优化设计变量的数值，然后进行静态分析：

确定四个吊装点的坐标分别为A（0，0，0.25L）、B（0，0，0.75L）、C（0,W，0.25L）、D（0，W，0.75L）,静态求解后，得出撬装化工厂框架的最大变形量Umax及最大应力Pmax；

步骤四、根据撬装化工厂框架的最大变形量Umax或最大应力Pmax对Z_A、Z_B、Z_C、Z_D的灵敏度缩减优化区间并得出四组设计方案；与此同时，根据撬装化工厂框架许用变形和许用应力确定优化目标，并将上述一组设计方案中优化目标最小的作为初始优化设计方案；

步骤五、采用坐标轮换法优化确定撬装化工厂框架吊装点：

坐标轮换按步骤四中的四组设计方案中优化目标最小值递增顺序；

5-1、设步骤四中初始优化设计方案作为第一次轮换初始值

5-2、沿坐标1正、负方向取步长d和d/2搜索，保留优化目标最小对应的坐标；再沿其余坐标执行同样的操作，完成一次轮换；

5-3、依此类推，如果第n+1次优化目标值小于第n次优化目标值时，返回5-2；否则，退出轮换，并将第n次结果作为最终结果，从而得到撬装化工厂框架吊装点位置。

进一步讲，步骤二中，所述将该.IGS中性文件导入ANSYS软件中进行前处理，包括：设置材料属性、选择壳单元、划分网格、添加惯性加速度及化工设备相应的载荷，并约束吊装点附近区域。

步骤四中，所述撬装化工厂框架的许用变形为L/1000，所述撬装化工厂框架的许用应力为其材料的屈服强度σ_s和安全系数n的比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本专利利用CAD、CAE及参数优化技术，获得框架较为精确的变形和最大应力，而后通过参数优化获得最佳吊装孔位置。利用本发明方法设计吊装点的位置比传统的经验法确定的位置，其最大变形量和最大应力均有减小。同时，本发明方法可推广应用于其它行业框架吊装位置的确定。

附图说明

图1是撬装化工厂框架结构吊装点设计流程图；

图2是实施例1的撬装化工厂设备的示意图；

图3是图2中所示框架结构及吊装点位置示意图；

图4是实施例1撬装化工厂框架的有限元模型；

图5是实施例1撬装化工厂框架最大变形随设计变量的变化情况；

图6是实施例1撬装化工厂框架最大应力随设计变量的变化情况；

图7是对图3所示吊装点设计后的撬装化工厂框架的位移变形分布图；

图8是对图3所示吊装点设计后的撬装化工厂框架的应力变形分布图；

图9是实施例2的撬装化工厂设备的示意图；

图10是图9中所示框架结构及吊装点位置示意图；

图11是实施例2撬装化工厂框架的有限元模型；

图12是实施例2撬装化工厂框架最大变形随设计变量的变化情况；

图13是实施例2撬装化工厂框架最大应力随设计变量的变化情况；

图14是对图10所示吊装点设计后的撬装化工厂框架的位移变形分布图；

图15是对图10所示吊装点设计后的撬装化工厂框架的应力变形分布图。

具体实施方式

下面分别对两种撬装化工厂框架按图1所示流程进行吊装点设计：

实施例1：

图2所示为一种化工用撬装设备，该设备主要由撬装化工厂框架1、管道2、阀门3、再生器电加热器4、原料气入口分液罐5、入口过滤器6、小分子分筛塔7、分子筛塔8、分子筛副塔9、脱汞塔10、脱汞罐出口粉尘过滤器11、备用脱汞罐出口粉尘过滤器12组成，其中2和3总质量2240KG，4质量100KG，5质量260KG，6质量620KG，7质量750KG，8、9和10质量均为1800KG，11和12质量均为310KG。

对上述化工用撬装设备吊装点位置的确定包括以下步骤：

图3为图2中撬装化工厂框架结构简图，其中图中13为其中一个吊装孔，14为一根底端主支撑梁，15为一根竖梁，16为安装阀门和管线的底端主支撑梁，17为一根顶端主支撑梁，18为一根底端侧梁，19为为一根顶端侧梁，其中侧梁长度为3m，主支撑梁的长度为10m。图3中以撬装化工厂框架的任一下端角点作为坐标原点建立坐标系OXYZ，其中X方向为沿框架底端侧梁方向、Y方向为沿框架竖梁方向、Z方向为沿框架底端主支撑梁方向，在上述坐标系OXYZ下定义四个吊装点A（0，0，Z_A）、B（0，0，Z_B）、C（0，3，Z_C）、D（0，3，Z_D），其中Z_A、Z_B、Z_C、Z_D为优化设计变量；

步骤二、利用ANSYS软件对撬装化工厂框架进行模型简化：

提取图3中框架筋板的中性面，并利用三维绘图软件SolidWorks建立该框架的曲面模型，将该曲面模型存为.IGS中性文件，并将该.IGS中性文件导入ANSYS软件中进行前处理,该前处理内容包括：定义SHELL63单元、设置其对应的实常数（撬装化工厂框架各筋板壁厚值确定）；设置材料属性弹性模量2.1E11Pa、泊松比0.28、密度7.8E3KG/(m*m*m)，选用三级精度自由网格划分；取重力加速度9.8m/s²、起吊加速度0.2m/s²，添加设备对应重量到相应的框架设备对应支撑处，其中阀门和管道均布到图3中17的上表面，方向-Y，建立参数化（含Z_A、Z_B、Z_C、Z_D）约束条件、完全约束吊装点附近70mmx70mm的面积域。最终建立的有限元模型如图4所示。

步骤三、根据经验设计方案初步确定ZA、ZB、ZC、ZD优化设计变量的数值，然后进行静态分析：

根据经验设计，取下端主支撑梁的三等分点作为吊装点，即取ZA=ZC=2.5m，ZB=ZD=7.5m，作为灵敏度计算初始值，此时四个吊装点的坐标分别为A（0，0，2.5）、B（0，0，7.5）、C（0,3，2.5）、D（0，3，7.5）。静态求解后，得出撬装化工厂框架的最大变形量Umax及最大应力Pmax分别为4.75mm和187.31Mpa。

步骤四、根据撬装化工厂框架的最大变形量Umax或最大应力Pmax对ZA、ZB、ZC、ZD的灵敏度缩减优化区间并得出四组设计方案；与此同时，根据撬装化工厂框架许用变形和许用应力确定优化目标，所述撬装化工厂框架的许用变形为3/1000m，所述撬装化工厂框架的许用应力为其材料的屈服强度235和安全系数1.5的比值，并将上述四组设计方案中优化目标最小的作为初始优化设计方案。

坐标轮换对称性确定初始设计空间为0<ZA<5、5<ZB<10、0<ZC<5、5<ZD<10，以吊装点经验设计值为参考点，设计变量步长取0.5m，分别计算Umax和Pmax随单一设计变量的变化，最终计算结果如图5和图6所示：Umax和Pmax随设计变量的整体变化趋势均为先减小后增大，存在灵敏度符号的变化。据此将设计空间缩减为2.0<ZA<3.0、7.0<ZB<8.0、1.5<ZC<2.5、7.5<ZD<8.5；根据撬装化工厂框架许用变形为10mm，许用应力为156.7Mpa，而缩减后的设计域中的四组设计方案中Umax均小于10mm，Pmax的最小值却在200Mpa附近，可知Pmax小于许用应力不易满足，因此以最大应力Pmax最小化作为优化目标；取上述四组设计方案中最大应力Pmax最小下方案作为优化初始方案，此时ZA=2.5m、ZB=7.5m、ZC=2.5m、ZD=8.0m，Umax=3.86mm，Pmax=144.633Mpa。

步骤五、采用坐标轮换法优化确定撬装化工厂框架吊装点：坐标轮换按步骤四中的四组设计方案中优化目标最小值递增顺序；包括：

5-1、设步骤四中初始优化设计方案作为第一次轮换初始值；

5-2、沿坐标1正、负方向取步长0.1和0.05搜索，保留优化目标最小对应的坐标，再沿其余坐标执行同样的操作，完成一次轮换；

5-3、依此类推，直到第4次优化目标值才不小于第3次优化目标值，因此将第3次结果作为优化结果，此时Z_A=2.35m、Z_B=7.5m、Z_C=2.4m、Z_D=7.85m，最大变形Umax为3.92mm,比经验方案对应值降低了17.5%左右，最大应力Pmax为129.93MPa，比经验方案对应值降低了30.6%。图7为优化后的撬装化工厂框架的静态变形图，从图中可以看出，静态变形MX发生在底端侧梁和其中一根竖梁上。图8为优化后的撬装化工厂框架的应力分布图，从图中可以看出，静态变形MX发生在底端侧梁和其中一根竖梁上。

实施例2：

图9为实施例2的化工用撬装设备，该设备主要由撬装化工厂框架20，储液罐21、其重量560KG，轴头泵22、质量300KG，过滤器23、质量750KG，过滤器24和25、质量均为1800KG，分子筛塔26、质量357.8KG，粉尘过滤器27、质量360KG，板式换热器28重量600KG，脱汞塔29.质量900KG，另外管道和阀门质量为2000KG。

上述化工用撬装设备吊装点位置的确定包括以下步骤：

步骤一、根据撬装化工厂框架结构设计图，初步确定决定吊装点在坐标系OXYZ中位置的设计参数：以实施例2撬装化工厂框架的任一下端角点作为坐标原点建立坐标系OXYZ，其中X方向为沿框架底端侧梁方向、Y方向为沿框架竖梁方向、Z方向为沿框架底端主支撑梁方向，在上述坐标系OXYZ下定义四个吊装点A（X_A，Y_A，Z_A）、B（X_B，Y_B，Z_B）、C（X_C，Y_C，Z_C）、D（X_D，Y_D，Z_D），将其中的Z_A、Z_B、Z_C、Z_D作为优化设计变量；图10中撬装化工厂框架的侧梁长度为3m，主支撑梁的长度为10m，31为吊柱。图10中以撬装化工厂框架的任一下端角点作为坐标原点建立坐标系OXYZ，其中X方向为沿框架底端侧梁方向、Y方向为沿框架竖梁方向、Z方向为沿框架底端主支撑梁方向，在上述坐标系OXYZ下定义四个吊装点A（0，0，Z_A）、B（0，0，Z_B）、C（0，3，Z_C）、D（0，3，Z_D），其中Z_A、Z_B、Z_C、Z_D为优化设计变量；

步骤二、利用ANSYS软件对撬装化工厂框架进行模型简化：提取框架筋板的中性面及载荷作用面，并利用三维绘图软件建立该框架的曲面模型，将该曲面模型存为.IGS中性文件，并将该.IGS中性文件导入ANSYS软件中进行前处理，该前处理包括：定义SHELL63单元、设置其对应的实常数（撬装化工厂框架各筋板壁厚值确定）；设置材料属性弹性模量2.1E11Pa、泊松比0.28、密度7.8E3KG/(m*m*m)，选用三级精度自由网格划分；取重力加速度9.8m/s²、起吊加速度0.2m/s²，添加设备对应重量到相应的框架设备对应支撑处,方向-Y，建立参数化（含Z_A、Z_B、Z_C、Z_D）约束条件、完全约束吊装点附近70mmx70mm的面积域。最终建立的有限元模型如图11所示。

步骤三、根据经验设计方案初步确定ZA、ZB、ZC、ZD优化设计变量的数值，然后进行静态分析：确定四个吊装点的坐标分别为A（0，0，2.5）、B（0，0，7.5）、C（0,3，2.5）、D（0，3，7.5）,静态求解后，得出撬装化工厂框架的最大变形量Umax及最大应力Pmax；取经验设计值Z_A=Z_C=2.5m，Z_B=Z_D=7.5m作为优化初始值，进行静态求解，并提取最大位移变形量Umax及最大应力Pmax，初始计算分别为1.922mm和65.99Mpa。

步骤四、根据撬装化工厂框架的最大变形量Umax或最大应力Pmax对ZA、ZB、ZC、ZD的灵敏度缩减优化区间并得出四组设计方案，所述撬装化工厂框架的许用变形为3/1000m，所述撬装化工厂框架的许用应力为其材料的屈服强度235和安全系数1.5的比值。与此同时，根据撬装化工厂框架许用变形和许用应力确定优化目标，并将上述一组设计方案中优化目标最小的作为初始优化设计方案；坐标轮换对称性确定初始设计空间为0<ZA<5、5<ZB<10、0<ZC<5、5<ZD<10，以吊装点经验设计值为参考点，设计变量步长取0.5m，分别计算最大变形Umax和最大应力Pmax随单一设计变量的变化，最终计算结果如图12和图13所示，由此可以得出：Umax和Pmax随设计变量的整体变化趋势均为先减小后增大，存在灵敏度符号的变化。据此将设计空间缩减为1.5<ZA<2.0、7.0<ZB<8.0、2.0<ZC<2.5、7.5<ZD<8.5；根据撬装化工厂框架许用变形为10mm，许用应力为156.7Mpa，而缩减后的设计域中的四组设计方案中最大变形Umax均小于5mm，最大应力Pmax最小值均在100Mpa附近，可知Umax小于许用变形相比Pmax小于许用应力更易满足，因此取Pmax最小化为优化目标；取上述四组设计方案中最大应力Pmax最小下方案作为优化初始方案，此时ZA=2.0m，ZB=7.5m,ZC=2.5m，ZD=7.5m，Umax=1.922mm，Pmax=65.99Mpa。

步骤五、采用坐标轮换法优化确定撬装化工厂框架吊装点：

5-1、设步骤四中初始优化设计方案作为第一次轮换初始值

5-2、沿坐标1正、负方向取步长0.1和0.05搜索，保留优化目标最小对应的坐标；再沿其余坐标执行同样的操作，完成一次轮换；

5-3、依此类推，最终计算得，第3次优化目标值不小于第2次优化目标值，从而得到撬装化工厂框架吊装点最终设计方案：Z_A=2.1m，Z_B=7.4m,Z_C=2.5m，Z_D=7.5m，Umax=1.728mm，比经验方案对应值降低了10.1%，Pmax=63.92Mpa比经验方案对应值降低了3.1%。

图14为优化后的撬装化工厂框架的静态变形图，从图中可以看出，静态变形最大值MX发生过滤器23所在的安装位置处。图15为优化后的撬装化工厂框架的应力分布图，从图中可以看出，应力最大值MX发生在吊装点附近。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

设撬装化工厂框架的侧梁长度为W，主支撑梁的长度为L；

步骤二、利用ANSYS软件对撬装化工厂框架进行模型简化：

步骤五、采用坐标轮换法优化确定撬装化工厂框架吊装点：

5-1、设步骤四中初始优化设计方案作为第一次轮换初始值

2.根据权利要求1所述撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，其中，步骤二中，所述将该.IGS中性文件导入ANSYS软件中进行前处理，包括：设置材料属性、选择壳单元、划分网格、添加惯性加速度及化工设备相应的载荷，并约束吊装点附近区域。

3.根据权利要求1所述撬装化工厂框架吊装点位置的确定方法，其中，步骤四中，所述撬装化工厂框架的许用变形为L/1000，所述撬装化工厂框架的许用应力为其材料的屈服强度σ_s和安全系数n的比值。