CN114722686A - 一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法 - Google Patents

一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法 Download PDF

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CN114722686A CN202210566971.7A CN202210566971A CN114722686A CN 114722686 A CN114722686 A CN 114722686A CN 202210566971 A CN202210566971 A CN 202210566971A CN 114722686 A CN114722686 A CN 114722686A
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Abstract

本发明提供了一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，建立了吊装整体分析有限元模型、吊耳强度及局部应力细化模型，通过引入重力加速度放大系数调整有限元模型质量，根据设备整体应力及变形大小调整确定合适吊点位置。本发明基于两个模型之间的边界数据映射，减少了计算网格数量，提高了计算效率及精度；基于强度理论计算吊耳强度，基于路径应力线性化理论计算细化模型中筒节薄膜应力及表面弯曲应力，并开展应力评定，进而优化吊耳尺寸。本发明通过有限元法对设备吊点位置进行设计优化，充分考虑吊耳尺寸形状差异，较为精确地对吊装过程中的吊耳自身强度、筒节局部应力进行计算，提高了大型设备吊耳设计精度及效率。

Description

一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法
技术领域
本发明属于大型设备吊耳结构设计技术领域，尤其涉及一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法。
背景技术
随着国家能源化工领域的蓬勃发展，化工设备逐渐朝着重型化、大型化方向发展，规范规定的无需进行专门设计的标准化吊耳已难以满足这些大型设备吊装需求；而非标吊耳的种类及形式复杂多变，利用传统规范方法对其进行设计及验算时存在误差大、设计过于保守导致经济性差等问题。因此，为保证设备吊装过程的安全稳定，保证吊点位置合理可靠、吊耳尺寸经济合理，有必要开展大型设备非标吊耳设计及优化研究。
非标吊耳相较于标准吊耳往往需要焊接额外附属补强板，传统吊耳强度设计计算时往往无法考虑该附属的影响，导致计算偏差较大。对于公称吊重大于300t或者对应筒节厚度较薄的吊耳，不仅需要验算其自身强度同时需要计算筒节局部应力，而传统吊耳设计方法在计算局部应力时过于简化，且存在部分吊耳尺寸无法计算的问题。同时，在吊装过程中，吊耳承受的荷载大小及荷载角度时刻改变，传统吊耳设计方法仅考虑设备提升角0°及90°两种工况，无法分析吊装过程中的吊耳应力及筒节局部应力变化。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，较大程度上提高了大型设备吊耳设计准确度及效率，优化了吊耳尺寸，节约了材料及加工成本。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，包括如下步骤：
步骤1：将设备简化为对称的旋转体，基于设备尺寸参数信息以及材料力学参数信息，建立大型设备吊装整体有限元模型A；
步骤2：根据现场吊装方案确定吊点位置和吊点个数，将吊耳简化为集中质量点，设置有限元模型A中的重力加速度的值以及方向，采用有限元法进行预起吊模拟，导出集中质量点受到的荷载反力，荷载反力方向与重力加速度方向相反；
步骤3：引入重力加速度放大系数，进行有限元质量调整；
步骤4：进行吊装过程有限元模拟，根据有限元模型A计算得到设备整体应力云图及变形云图，将最大应力及最大变形与规范限值比较，出现超限情况则重新调整吊点位置直至满足限值；然后导出集中质量点四周区域沿法向投影至设备筒身所形成的投影面，再导出投影面四周边界上所有的节点反力数据；
步骤5：根据设备实际质量初步拟定设备吊耳参数化尺寸，输入参数化建模平台，建立吊耳局部精细化有限元模型B；
步骤6：将根据有限元模型A计算得到的边界的节点反力数据映射到有限元模型B的边界中，进行有限元模型B的数值模拟分析；
步骤7：根据有限元模型B计算得到新的设备整体应力云图及变形云图，分析吊耳强度以及筒节局部应力是否满足要求，不满足则重复步骤5、7，对吊耳尺寸进行重新设计，直至满足要求。
进一步地，所述步骤3中，重力加速度放大系数通过下式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为重力加速度放大系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为实际吊装质量；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为吊点个数；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为集中质量点受到的荷载反力；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为重力加速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为动荷载系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为不平衡系数；
将重力加速度乘以重力加速度放大系数后重新赋予有限元模型A，实现有限元质量调整。
进一步地，所述步骤6中，有限元模型A的各边界的几何尺寸与有限元模型B的各边界的几何尺寸一致，网格尺寸不一致；根据有限元模型B边界的网格节点相对于有限元模型A边界的网格节点的坐标关系建立线性内插函数，完成有限元模型A与有限元模型B之间的节点反力数据的映射。
进一步地，所述步骤7中，分析筒节局部应力时，先搜寻筒节表面Tresca应力值排名前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着筒节厚度方向作直线，获得三条应力分类线；然后再搜寻有限元模型B上吊耳垫板表面Tresca应力值排名前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着吊耳垫板厚度方向作直线，获得三条应力分类线，共计获得六条应力分类线；
然后导出六条应力分类线上所有网格节点的Tresca应力，将X、Y、Z方向的正应力以及剪应力这六个应力分量分别进行应力线性化，得到各分量的薄膜应力和弯曲应力，再通过第三强度理论计算大主应力、中主应力以及小主应力，进而得到总的薄膜应力和弯曲应力，据此开展应力评定。
进一步地，所述应力线性化计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为薄膜应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为弯曲应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为实际应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为局部坐标系的X轴坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为应力分类线的长度。
进一步地，所述大主应力、中主应力以及小主应力对应的特征方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
Figure DEST_PATH_IMAGE036
Figure DEST_PATH_IMAGE038
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure DEST_PATH_IMAGE044
分别表示X、Y、Z方向的正应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
分别表示X、Y、Z方向的剪应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure DEST_PATH_IMAGE056
均为特征方程公式表达中所赋予的符号；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
。
进一步地，所述步骤7中，分析吊耳强度时，根据应力云图提取吊耳最大Tresca应力，将其与材料屈服强度进行比较，最大Tresca应力大于材料屈服强度时则对吊耳尺寸进行重新设计。
进一步地，所述投影面的长和宽均等于2倍吊耳宽度。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过有限元法对大型设备吊耳位置进行优化，以保证设备整体强度及稳定性。本发明充分考虑了非标吊耳尺寸形状差异，能够较为精确地对吊装过程中的吊耳自身强度、筒节局部应力进行计算，可以提高大型设备吊耳设计精度及效率，优化吊耳尺寸，节约材料及加工成本，为化工设备吊耳设计及优化提供依据与指导。
本发明所提供的吊耳设计及优化方法对吊装过程中的吊耳应力及筒节局部应力变化进行了有效分析，分别建立筒体整体模型、吊耳局部细化模型，并建立两个模型之间的边界反力进行了映射传递，实现了单元网格数量的有效控制，在保证计算精度条件下极大提高了计算效率。还引入了重力加速度放大系数对有限元质量进行优化，基于本发明所设计出来的非标吊耳结构误差小，更加安全可靠。另外，本发明所提供的方法不仅可以用于大型化工设备，还可以用于其他大型设备用吊耳的优化设计项目中，适用范围广，值得普遍推广使用。
附图说明
图1为本发明所述基于有限元分析的大型设备吊耳设计优化方法流程图；
图2为本发明所述大型设备吊装整体有限元模型A示意图；
图3为有限元模型A中吊点区域筒节局部放大图；
图4为本发明所述吊耳局部精细化有限元模型B示意图；
图5为有限元模型A与有限元模型B边界数据映射关系示意图。
图中：1-投影面；2-吊耳点；3-第一边界；4-第二边界；5-第三边界；6-第四边界；7-第五边界；8-第六边界；9-第七边界；10-第八边界；11-封头；12-筒节；13-裙座；14-吊耳垫板。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计优化方法如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：根据设备CAD设计图纸获得尺寸参数信息，本实施例中的尺寸参数信息包括设备的封头11尺寸、公称直径、厚度、筒节12公称直径及厚度、裙座13尺寸；根据规范文献以及材料力学试验获得设备的材料力学参数，材料力学参数包括弹性模量、泊松比、屈服强度以及屈服应变；
将设备简化为对称的旋转体，将尺寸参数信息输入至参数化建模平台，建立如图2所示的大型设备吊装整体有限元模型A，同时输入材料力学参数并赋予给有限元模型A，其中，考虑设备整体尺寸，为了便于分析设备整体应力及变形，在有限元模型A中采用大网格，且有限元模型A的网格平均尺寸控制在0.2×0.2m内。
步骤2：根据现场吊装方案确定吊点位置和吊点个数，吊点位置包括吊点到设备顶部的距离、吊点到设备底部的距离；如图2所示，将吊耳简化为集中质量点，有限元模型A中的重力加速度a设为9.8m/s2，方向为-Y向，采用有限元法进行预起吊模拟，然后导出集中质量点受到的Y方向的荷载反力。
步骤3：由于建模过程中对设备进行简化会导致有限元质量（即计算质量）与实际质量之间存在误差，因此本实施例引入重力加速度放大系数，重力加速度放大系数通过下式计算得到：
Figure 764565DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 204774DEST_PATH_IMAGE004
为重力加速度放大系数，
Figure 946465DEST_PATH_IMAGE006
为实际吊装质量；
Figure 409808DEST_PATH_IMAGE008
为吊点个数；
Figure 285360DEST_PATH_IMAGE010
为集中质量点受到的Y方向的荷载反力；
Figure 189862DEST_PATH_IMAGE012
为重力加速度，取9.8m/s2；
Figure 695929DEST_PATH_IMAGE014
为动荷载系数，取1.2；
Figure 177726DEST_PATH_IMAGE016
为不平衡系数，取1.125；
将重力加速度乘以计算得到的重力加速度放大系数后重新赋予有限元模型A，进行有限元质量调整，以降低有限元质量与实际质量之间的误差。
步骤4：进行吊装过程有限元模拟，有限元模拟主要包括初始起吊模拟、设备姿态调整（包括旋转、平移）、设备最终安装姿态模拟；然后根据有限元模型A计算得到设备整体应力云图及变形云图，将最大应力及最大变形与规范限值比较，出现超限情况则重复步骤2，重新调整吊点位置，直至应力及变形合格；
然后导出吊装过程中集中质量点（即吊耳点2）四周区域沿法向投影至设备筒身所形成的投影面1（图2中筒节12表面的箭头方向即表示法向），经过反复试验研究可知，投影面1的长和宽均为2倍吊耳宽度时，边界效应影响最小；接着导出投影面1四周边界上所有节点反力数据，如图3所示，投影面1四周边界包括第一边界3、第二边界4、第三边界5、第四边界6，节点反力数据包括X方向反力CFx、Y方向反力CFY、Z方向反力CFZ。
步骤5：根据设备实际质量初步拟定设备吊耳参数化尺寸，输入参数化建模平台，建立如图4所示的吊耳局部精细化有限元模型B，为提高后续应力线性化计算精度，有限元模型B采用小网格，有限元模型B的网格尺寸为0.05×0.05m，有限元模型B由于尺度较小，因此网格数量也可得到有效控制，进而能够保证计算效率。另外，吊耳的型式主要包括顶部板式吊耳、卧式设备板式吊耳、侧壁板式吊耳、轴式吊耳及尾部吊耳，参数化尺寸包括板式吊耳孔直径、轴式吊耳管轴外径、系缆环板外径、板式吊耳厚度或轴式吊耳管轴厚度和垫板厚度；本实施例优选以轴式吊耳为例建立有限元模型B；有限元模型B中除包括吊耳及其连接件外，还包括一部分尺寸与投影面1一致的筒节12。
步骤6：如图5所示（图5中的数字标号均表示第一边界3上的各网格节点），将根据有限元模型A计算得到的边界的节点反力数据映射到有限元模型B的边界中，也就是将有限元模型A的第一边界3的节点反力数据传递给有限元模型B的第五边界7，将有限元模型A的第二边界4的节点反力数据传递给有限元模型B的第六边界8，将有限元模型A的第三边界5的节点反力数据传递给有限元模型B的第七边界9，将有限元模型A的第四边界6的节点反力数据传递给有限元模型B的第八边界10；
由于第一边界3与第五边界7、第二边界4与第六边界8、第三边界5与第七边界9、第四边界6与第八边界10的几何尺寸均一致，但是网格尺寸均不一致，因此本实施例通过有限元模型B边界的网格节点相对于有限元模型A边界的网格节点的坐标关系建立线性内插函数，完成有限元模型A与有限元模型B之间的节点反力数据的映射；例如，如图5所示，第五边界7上的网格节点C的荷载通过第一边界3上的四个网格节点202、203、302、303的荷载共同内插决定。
步骤7：根据有限元模型B计算得到新的设备整体应力云图及变形云图，首先分析吊耳强度，根据应力云图提取吊耳最大Tresca应力，将其与材料屈服强度进行比较，最大Tresca应力大于材料屈服强度时则对吊耳尺寸进行重新设计；
然后分析筒节12局部应力，如图4所示，先搜寻筒节12表面Tresca应力值排名（筒节12表面Tresca应力值按照从大到小排序）前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着筒节12厚度方向作直线，获得三条应力分类线，再搜寻吊耳垫板14表面Tresca应力值排名（吊耳垫板14表面Tresca应力值按照从大到小排序）前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着吊耳垫板14厚度方向作直线，获得三条应力分类线，共计获得六条应力分类线；然后导出六条应力分类线上所有网格节点的Tresca应力，将X、Y、Z方向的正应力以及剪应力这六个应力分量分别进行应力线性化，得到各分量的薄膜应力和弯曲应力，应力线性化计算如下：
Figure 732336DEST_PATH_IMAGE018
Figure 615978DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 292947DEST_PATH_IMAGE022
为薄膜应力，
Figure 402985DEST_PATH_IMAGE024
为弯曲应力，
Figure 354761DEST_PATH_IMAGE026
为实际应力，
Figure 561751DEST_PATH_IMAGE028
为局部坐标系的X轴坐标，
Figure 81725DEST_PATH_IMAGE030
为应力分类线的长度；
再通过第三强度理论计算大主应力、中主应力以及小主应力，进而得到总的薄膜应力和弯曲应力，其中，大主应力、中主应力以及小主应力对应的特征方程如下：
Figure 803694DEST_PATH_IMAGE032
其中：
Figure 434526DEST_PATH_IMAGE034
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure 761603DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 720987DEST_PATH_IMAGE040
、
Figure 664672DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 427092DEST_PATH_IMAGE044
分别表示X、Y、Z方向的正应力，
Figure 280778DEST_PATH_IMAGE046
、
Figure 1610DEST_PATH_IMAGE048
、
Figure 635853DEST_PATH_IMAGE050
分别表示X、Y、Z方向的剪应力；
Figure 874068DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 706895DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 801890DEST_PATH_IMAGE056
均为特征方程公式表达中所赋予的符号，无实际意义，是为了使得特征方程公式的表达更加简洁；
Figure 595533DEST_PATH_IMAGE058
表示矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE060A
。
步骤8：根据步骤7计算得到的薄膜应力、弯曲应力开展应力评定，评定标准为：薄膜应力小于1.5倍材料许用强度，薄膜应力加弯曲应力小于3倍材料许用强度；当计算得到的应力数据大于标准要求时需增大吊耳尺寸，重复步骤5、7、8对吊耳尺寸进行重新设计，直至应力数据满足要求；当计算得到的应力数据远低于标准要求时需减小吊耳尺寸，重复步骤5、7、8对吊耳尺寸进行重新设计，直至应力数据满足要求。当计算得到的应力数据远低于标准要求时，此时的应力数据与标准要求之间的差值根据实际设计需要来选择。
本实施例中，图2是仅作为优选展示的某一种大型设备整体有限元模型，其他类大型设备尺寸所建立的整体有限元模型均可应用本发明所提供的方法来设计；图4是仅作为优选展示的某一种吊耳局部细化有限元模型，其他类大型设备吊耳尺寸所建立的细部有限元模型均可应用本发明所提供的方法来设计。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将设备简化为对称的旋转体，基于设备尺寸参数信息以及材料力学参数信息，建立大型设备吊装整体有限元模型A；
步骤2：根据现场吊装方案确定吊点位置和吊点个数，将吊耳简化为集中质量点，设置有限元模型A中的重力加速度的值以及方向，采用有限元法进行预起吊模拟，导出集中质量点受到的荷载反力，荷载反力方向与重力加速度方向相反；
步骤3：引入重力加速度放大系数，进行有限元质量调整；
步骤4：进行吊装过程有限元模拟，根据有限元模型A计算得到设备整体应力云图及变形云图，将最大应力及最大变形与规范限值比较，出现超限情况则重新调整吊点位置直至满足限值；然后导出集中质量点四周区域沿法向投影至设备筒身所形成的投影面（1），再导出投影面（1）四周边界上所有的节点反力数据；
步骤5：根据设备实际质量初步拟定设备吊耳参数化尺寸，输入参数化建模平台，建立吊耳局部精细化有限元模型B；
步骤6：将根据有限元模型A计算得到的边界的节点反力数据映射到有限元模型B的边界中，进行有限元模型B的数值模拟分析；
步骤7：根据有限元模型B计算得到新的设备整体应力云图及变形云图，分析吊耳强度以及筒节（12）局部应力是否满足要求，不满足则重复步骤5、7，对吊耳尺寸进行重新设计，直至满足要求。
2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述步骤3中，重力加速度放大系数通过下式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 997753DEST_PATH_IMAGE002
为重力加速度放大系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为实际吊装质量；
Figure 730873DEST_PATH_IMAGE004
为吊点个数；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为集中质量点受到的荷载反力；
Figure 41768DEST_PATH_IMAGE006
为重力加速度；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为动荷载系数；
Figure 515606DEST_PATH_IMAGE008
为不平衡系数；
将重力加速度乘以重力加速度放大系数后重新赋予有限元模型A，实现有限元质量调整。
3.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述步骤6中，根据有限元模型B边界的网格节点相对于有限元模型A边界的网格节点的坐标关系建立线性内插函数，完成有限元模型A与有限元模型B之间的节点反力数据的映射。
4.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述步骤7中，分析筒节（12）局部应力时，先搜寻筒节（12）表面Tresca应力值排名前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着筒节（12）厚度方向作直线，获得三条应力分类线；然后再搜寻有限元模型B上吊耳垫板（14）表面Tresca应力值排名前三的三个网格节点，由搜寻到的网格节点沿着吊耳垫板（14）厚度方向作直线，获得三条应力分类线，共计获得六条应力分类线；
然后导出六条应力分类线上所有网格节点的Tresca应力，将X、Y、Z方向的正应力以及剪应力这六个应力分量分别进行应力线性化，得到各分量的薄膜应力和弯曲应力，再通过第三强度理论计算大主应力、中主应力以及小主应力，进而得到总的薄膜应力和弯曲应力，据此开展应力评定。
5.根据权利要求4所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述应力线性化计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 595558DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为薄膜应力，
Figure 745916DEST_PATH_IMAGE012
为弯曲应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为实际应力，
Figure 29261DEST_PATH_IMAGE014
为局部坐标系的X轴坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为应力分类线的长度。
6.根据权利要求5所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述大主应力、中主应力以及小主应力对应的特征方程如下：
Figure 556057DEST_PATH_IMAGE016
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure 490515DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中，
Figure 562508DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 582416DEST_PATH_IMAGE022
分别表示X、Y、Z方向的正应力，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 395127DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE025
分别表示X、Y、Z方向的剪应力，
Figure 184092DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 145094DEST_PATH_IMAGE028
均为特征方程公式表达中所赋予的符号；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示矩阵，
Figure 465348DEST_PATH_IMAGE030
。
7.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述步骤7中，分析吊耳强度时，根据应力云图提取吊耳最大Tresca应力，将其与材料屈服强度进行比较，最大Tresca应力大于材料屈服强度时则对吊耳尺寸进行重新设计。
8.根据权利要求1所述的基于有限元分析的大型设备吊耳设计及优化方法，其特征在于，所述投影面（1）的长和宽均等于2倍吊耳宽度。
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