李晟聞，張巨偉，王蕊，孫海霞

壓力容器裝配體結(jié)構(gòu)的Patran局部有限元分析

李晟聞1，張巨偉1，王蕊2，孫海霞2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253600）

利用MSC.Patran&Nastran有限元軟件，為壓力容器裝配體結(jié)構(gòu)建立了三維實(shí)體幾何模型，并對該局部裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，闡明各部位的力學(xué)作用，得出裝配體應(yīng)力和位移的分布規(guī)律，為實(shí)際的后續(xù)分析提供了安全技術(shù)保證和數(shù)據(jù)支持。

MSC.Patran&Nastran；裝配體；有限元分析

有限元法（MSC.Patran&Nastran）是一種應(yīng)用廣泛的通用工程分析軟件[1]，Patran可以進(jìn)行預(yù)處理，Nastran作為處理器對模型進(jìn)行求解，后處理結(jié)果需要在Patran中查看，為結(jié)構(gòu)做定性和定量評價(jià)。

本問題求解過程具體主要包括：建立工作文件名和文件標(biāo)題，創(chuàng)建幾何模型，定義材料本構(gòu)關(guān)系，定義單元屬性，劃分網(wǎng)格，位移邊界條件和載荷邊界條件，Nastran求解，查看求解結(jié)果[2]。

1 裝配體模型

根據(jù)局部模型在結(jié)構(gòu)上和載荷上的對稱性[3]，所以，取裝配模型的二分之一作為分析的對象。本文所用計(jì)算模型如圖1所示。

裝配體具體尺寸：圓柱1長200 mm，半徑40 mm，圓柱2長100 mm，半徑30 mm，厚度均為5 mm，小圓柱長70 mm，半徑為11 mm，圓孔半徑為11 mm，彈性模量E=10 GPa，泊松比PRXY=0.3。

2 有限元分析模型

經(jīng)過網(wǎng)格劃分之后，生成有限元模型如圖2所示[4]。由軟件模擬可得結(jié)構(gòu)的位移分布云圖如圖 5所示。從中可看出，最大位移出現(xiàn)的位置為節(jié)點(diǎn)28 786處，即接管周圍，最大值為0.017 6 mm，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮，如增加結(jié)構(gòu)厚度。

3 計(jì)算結(jié)果及后處理

施加邊界條件的模型如圖3所示。其中，位移邊界條件：在結(jié)構(gòu)的所有對稱平面施加位移邊界條件，約束Z方向自由度，圓柱面一端固定，另一端鉸支，約束YZ方向自由度。

載荷邊界條件：結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁面施加壓力。

由軟件模擬可得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從中可看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置為節(jié)點(diǎn)33 171處，即接管處，最大值為3 428 Pa，在圓孔邊緣也有較大應(yīng)力，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮，如增加結(jié)構(gòu)厚度或優(yōu)化結(jié)構(gòu)倒角[5-8]。

4 結(jié) 語

通過利用MSC.Patran&Nastran2008有限元軟件對壓力容器裝配體進(jìn)行了受力分析，建立了適用于分析的有限元模型，通過后處理得到了應(yīng)力和應(yīng)變的等高線變化圖[9]，為結(jié)構(gòu)的分析提供了準(zhǔn)確的定性和定量分析。經(jīng)過分析計(jì)算，MSC.Patran& Nastran2008分析計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，為后續(xù)類似問題的分析提供了一定的數(shù)據(jù)支持。

［1］孫瀅,張春輝,秦遠(yuǎn)珍,等.艙蓋結(jié)構(gòu)的PATRAN/ NASTRAN有限元分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版), 1999,6(28):98-101.

［2］吳運(yùn)新, 鐘志宏, 滑廣軍.基于 MSC.Patran/ Nastran的泵車臂架分析系統(tǒng)的研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,6(31):83-86.

［3］秦東晨,王迎佳,朱曉芳,等.基于MSC. Patran/Nastran的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2007 ( 7):24-26.

［4］王榮榮,付路路,姜慧,等.基于事故樹分析法的環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中火災(zāi)爆炸事故分析[J].當(dāng)代化工,2014,(4):598-599+602.

［5］艾菊蘭,牟紅霞.基于MSC.Patran的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門有限元分析[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2007(4):78-79.

［6］馮立靜,張國友.基于Patran/Nastran的鉸鏈模擬分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(10):232-234.

［7］王榮榮,付路路,陳廣芳,等.基于ANSYS的圓柱銷裝配預(yù)應(yīng)力受力分析[J].當(dāng)代化工,2014(2):308-309.

［8］何偉.利用MSC Patran/Nastran分析復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu),[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006(15):330-332.

［9］夏毅銳,李艷坤,王琳,等.渦輪葉片的UG建模和Patran/Nastran有限元應(yīng)力分析[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007,6(22):610-614.

Finite Element Analysis of the Structure of the Pressure Vessel Assembly With Patran

LI Cheng-wen1，ZHANG Ju-wei1,WANG Rui2,SUN Hai-xia2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Shandong Hualu Hengsheng Chemical Co., Ltd.，Shandong Dezhou 253600，China）

The three-dimensional solid geometry model for the pressure vessel assembly structure was established with MSC.Patran&Nastran finite element software, and finite element analysis was carried out, and mechanical functions of the structures were introduced, and distribution of stresses and displacements of the assembly were obtained, which could provide security technology guarantee and data support for the actual subsequent analysis.

MSC.Patran&Nastran; Assemblies; Finite element analysis

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）05-1065-02

2014-11-27

李晟聞（1990-），男，遼寧撫順人，碩士研究生，安全工程專業(yè)，研究方向：石化設(shè)備安全評價(jià)。

張巨偉（1962-），男，遼寧撫順人，研究方向：安全工程、石油化工設(shè)備的安全評價(jià)等。