CAE技术在化工设备中的应用

＊苏泽辉 杜宏娥

（1.兰州新区石化产业投资集团有限公司 甘肃 730314 2.甘肃卫生职业学院 甘肃 730030）

CAE 分析技术普遍使用于结构强度设计、热设计、流场分析等领域，是目前世界范围内比较先进的设计方法，具有直观、可靠、速度快、精度高等优点，在各行各业受到广泛的应用。化工园区工程实践过程中，有较多的工程施工需要快速进行构件选型，但工程施工人员结构选型较为随意，常根据经验进行构件选择，对结构件在应用场合中的安全系数、变形大小没有进行计算，因此在工程实践中存在一些由于盲目选型造成材料浪费的现象，或者由于强度、刚度不足引发结构破坏，造成经济损失，甚至人员伤亡的风险。因此，工程实践中应快速采用CAE 技术对结构应用进行分析，把握结构使用场合中构件强度、刚度等安全范围，达到降本增效、安全施工的目的。本文结合某化工园区两个案例引导工程实践人员在工程施工中引入CAE 分析技术，掌握CAE 分析技术在工程实践中的方法和应用。

1.案例分析

(1)案例背景

CAE 分析技术在工程实践中可以快速进行结构强度、刚度等的分析，快速掌握结构件在应用场合的应力、变形大小，使结构件处在安全有效的弹性变形阶段内。

兰州新区化工园区某企业在工程应用中需要在车间搭建一个支撑架，将底部重量为0.8 t 的进口水泵吊取出来，根据现场现有材料进行架子快速搭建。施工人员根据经验进行搭建，然后随即进行吊取作业，一旦在吊装作业中架子发生结构破坏，会导致进口水泵严重损坏，造成经济损失，甚至人员受伤。

(2)案例流程

根据现场施工人员的设想和现场现有材料，快速建模，主要由横梁、立柱、三角支撑结构等组成，在Solidworks 中进行三维建模，如图1 所示为支撑架三维模型。

图1 支撑架三维模型装配图

建立好的三维模型导出stp 格式，将导出的stp格式导入Workbench 中静力学模块进行分析，根据模型特征进行简化，简化模型对力学性能没有影响的小特征，对小圆角、小倒角进行简化，对结构特征不是很规则的模型采用四面体网格划分方法，并进行网格无关性划分。

图2 为网格无关性验证，随着网格数量的增加，等效应力变化如图所示，可以看到当网格节点数倍数增长时，等效应力变化范围较小，因此以该网格尺寸划分是合适的。

图2 网格无关性验证图

表1 中为使用的材料参数性能，其中弹性模量为202 GPa、206 GPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3，屈服强度分别为235 MPa，345 MPa。

表1 材料参数

对支撑架进行边界条件的施加，支撑架在实际应用时固定两边两个支架，中间采用导链提升泵，泵质量为800 kg，根据上述边界条件对支撑架施加边界条件。

根据上述边界条件，设置合理的载荷布进行求解计算，对计算结果进行提取，图3 为支撑架、水箱计算结果。

图3 边界条件施加图

图4 为支撑架等效应力分布云图，从图中可以看出最大等效应力为33.93 MPa，最大应力位于导链放置部位中间位置。

图4 等效应力分布云图

图5 为支撑架竖直方向位移分布云图，从图中可以看出，最大位移为1.1 mm，最大位移位于横梁圆管中间位置处。

图5 沿竖直方向位移分布图

表2 为支撑架等效应力分析总结表，其中横梁等效应力最大，最大值为33.93 MPa，安全系数为6.93，安全系数较大。

表2 分析结果

2.案例分析

(1)案例背景

兰州新区化工园区某企业根据生产需要，要制作一个大型水箱，水箱液位高度对整体结构强度、刚度影响较大，在制作初期不能确定钢板厚度，厚度选取不当会造成水箱在使用过程中发生破坏，甚至会导致人员伤亡事故发生，选用较厚钢板，会造成材料浪费。现场施工人员根据经验选用钢板进行制作，但水箱详细强度、刚度等力学性能没有进行掌握，存在一定的风险，因此在制作初期，根据CAE 技术分析结果保证水箱在高液位下具有足够的强度、刚度非常重要。

(2)案例流程

根据水箱尺寸在Solidworks 中进行三维建模，图6 为组装好的三维模型，模型由五块厚度一样的钢板拼接形成。

图6 水箱三维模型图

建立好的三维模型导出stp 格式，将上述建成的三维模型导入Workbench 中静力学模块，根据模型特征进行简化，设置合理网格尺寸，并划分网格，该模型结构规则、简单，不再进行网格无关性验证，图7为水箱网格划分图。

图7 水箱网格划分图

表3 为水箱使用的材料参数性能，其中弹性模量为202 GPa，泊松比为0.3，密度为7850 kg/m3，屈服强度分别为235 MPa。

表3 水箱材料参数

根据化工园区某企业水箱使用条件，最高液位为800 mm，设置静水压高度为800 mm，水箱地面设置为固定约束，见图8。

图8 水箱边界约束图

图9 为水箱分析等效应力分布云图，图10 为位移分布云图，从图中可以看出该工况中，水箱最大等效应力为205.33 MPa，最大变形为45 mm。

图9 水箱等效应力分布云图

图10 水箱整体位移分布云图

3.总结

表4 为水箱、支撑架强度、刚度计算结果，并计算安全系数，结果表明水箱、支撑架结构强度、刚度满足设计要求。

表4 分析结果汇总

（1）该水箱分析时设置静水压高度为800 mm，结果表明在四周板材焊接较好的前提下，水箱强度满足使用要求，但是变形较大。

（2）支撑架安全系数为6.93，结果表明安全冗余较大，该企业设计横梁时采用了圆钢，横梁主要承受弯曲作用，建议实际应用时，采用工字钢作为横梁使用。

（3）有限元分析方法为该企业上述水箱、支撑架制作提供了指导作用，在方案前期有限元法可以快速、便捷地为方案选型提供指导作用。