＊蘇澤輝 杜宏娥

（1.蘭州新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)投資集團有限公司 甘肅 730314 2.甘肅衛(wèi)生職業(yè)學院 甘肅 730030）

CAE 分析技術(shù)普遍使用于結(jié)構(gòu)強度設(shè)計、熱設(shè)計、流場分析等領(lǐng)域，是目前世界范圍內(nèi)比較先進的設(shè)計方法，具有直觀、可靠、速度快、精度高等優(yōu)點，在各行各業(yè)受到廣泛的應用?；@區(qū)工程實踐過程中，有較多的工程施工需要快速進行構(gòu)件選型，但工程施工人員結(jié)構(gòu)選型較為隨意，常根據(jù)經(jīng)驗進行構(gòu)件選擇，對結(jié)構(gòu)件在應用場合中的安全系數(shù)、變形大小沒有進行計算，因此在工程實踐中存在一些由于盲目選型造成材料浪費的現(xiàn)象，或者由于強度、剛度不足引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，造成經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡的風險。因此，工程實踐中應快速采用CAE 技術(shù)對結(jié)構(gòu)應用進行分析，把握結(jié)構(gòu)使用場合中構(gòu)件強度、剛度等安全范圍，達到降本增效、安全施工的目的。本文結(jié)合某化工園區(qū)兩個案例引導工程實踐人員在工程施工中引入CAE 分析技術(shù)，掌握CAE 分析技術(shù)在工程實踐中的方法和應用。

1.案例分析

(1)案例背景

CAE 分析技術(shù)在工程實踐中可以快速進行結(jié)構(gòu)強度、剛度等的分析，快速掌握結(jié)構(gòu)件在應用場合的應力、變形大小，使結(jié)構(gòu)件處在安全有效的彈性變形階段內(nèi)。

蘭州新區(qū)化工園區(qū)某企業(yè)在工程應用中需要在車間搭建一個支撐架，將底部重量為0.8 t 的進口水泵吊取出來，根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)有材料進行架子快速搭建。施工人員根據(jù)經(jīng)驗進行搭建，然后隨即進行吊取作業(yè)，一旦在吊裝作業(yè)中架子發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，會導致進口水泵嚴重損壞，造成經(jīng)濟損失，甚至人員受傷。

(2)案例流程

根據(jù)現(xiàn)場施工人員的設(shè)想和現(xiàn)場現(xiàn)有材料，快速建模，主要由橫梁、立柱、三角支撐結(jié)構(gòu)等組成，在Solidworks 中進行三維建模，如圖1 所示為支撐架三維模型。

圖1 支撐架三維模型裝配圖

建立好的三維模型導出stp 格式，將導出的stp格式導入Workbench 中靜力學模塊進行分析，根據(jù)模型特征進行簡化，簡化模型對力學性能沒有影響的小特征，對小圓角、小倒角進行簡化，對結(jié)構(gòu)特征不是很規(guī)則的模型采用四面體網(wǎng)格劃分方法，并進行網(wǎng)格無關(guān)性劃分。

圖2 為網(wǎng)格無關(guān)性驗證，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，等效應力變化如圖所示，可以看到當網(wǎng)格節(jié)點數(shù)倍數(shù)增長時，等效應力變化范圍較小，因此以該網(wǎng)格尺寸劃分是合適的。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證圖

表1 中為使用的材料參數(shù)性能，其中彈性模量為202 GPa、206 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，屈服強度分別為235 MPa，345 MPa。

表1 材料參數(shù)

對支撐架進行邊界條件的施加，支撐架在實際應用時固定兩邊兩個支架，中間采用導鏈提升泵，泵質(zhì)量為800 kg，根據(jù)上述邊界條件對支撐架施加邊界條件。

根據(jù)上述邊界條件，設(shè)置合理的載荷布進行求解計算，對計算結(jié)果進行提取，圖3 為支撐架、水箱計算結(jié)果。

圖3 邊界條件施加圖

圖4 為支撐架等效應力分布云圖，從圖中可以看出最大等效應力為33.93 MPa，最大應力位于導鏈放置部位中間位置。

圖4 等效應力分布云圖

圖5 為支撐架豎直方向位移分布云圖，從圖中可以看出，最大位移為1.1 mm，最大位移位于橫梁圓管中間位置處。

圖5 沿豎直方向位移分布圖

表2 為支撐架等效應力分析總結(jié)表，其中橫梁等效應力最大，最大值為33.93 MPa，安全系數(shù)為6.93，安全系數(shù)較大。

表2 分析結(jié)果

2.案例分析

(1)案例背景

蘭州新區(qū)化工園區(qū)某企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)需要，要制作一個大型水箱，水箱液位高度對整體結(jié)構(gòu)強度、剛度影響較大，在制作初期不能確定鋼板厚度，厚度選取不當會造成水箱在使用過程中發(fā)生破壞，甚至會導致人員傷亡事故發(fā)生，選用較厚鋼板，會造成材料浪費?，F(xiàn)場施工人員根據(jù)經(jīng)驗選用鋼板進行制作，但水箱詳細強度、剛度等力學性能沒有進行掌握，存在一定的風險，因此在制作初期，根據(jù)CAE 技術(shù)分析結(jié)果保證水箱在高液位下具有足夠的強度、剛度非常重要。

(2)案例流程

根據(jù)水箱尺寸在Solidworks 中進行三維建模，圖6 為組裝好的三維模型，模型由五塊厚度一樣的鋼板拼接形成。

圖6 水箱三維模型圖

建立好的三維模型導出stp 格式，將上述建成的三維模型導入Workbench 中靜力學模塊，根據(jù)模型特征進行簡化，設(shè)置合理網(wǎng)格尺寸，并劃分網(wǎng)格，該模型結(jié)構(gòu)規(guī)則、簡單，不再進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，圖7為水箱網(wǎng)格劃分圖。

圖7 水箱網(wǎng)格劃分圖

表3 為水箱使用的材料參數(shù)性能，其中彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，屈服強度分別為235 MPa。

表3 水箱材料參數(shù)

根據(jù)化工園區(qū)某企業(yè)水箱使用條件，最高液位為800 mm，設(shè)置靜水壓高度為800 mm，水箱地面設(shè)置為固定約束，見圖8。

圖8 水箱邊界約束圖

圖9 為水箱分析等效應力分布云圖，圖10 為位移分布云圖，從圖中可以看出該工況中，水箱最大等效應力為205.33 MPa，最大變形為45 mm。

圖9 水箱等效應力分布云圖

圖10 水箱整體位移分布云圖

3.總結(jié)

表4 為水箱、支撐架強度、剛度計算結(jié)果，并計算安全系數(shù)，結(jié)果表明水箱、支撐架結(jié)構(gòu)強度、剛度滿足設(shè)計要求。

表4 分析結(jié)果匯總

（1）該水箱分析時設(shè)置靜水壓高度為800 mm，結(jié)果表明在四周板材焊接較好的前提下，水箱強度滿足使用要求，但是變形較大。

（2）支撐架安全系數(shù)為6.93，結(jié)果表明安全冗余較大，該企業(yè)設(shè)計橫梁時采用了圓鋼，橫梁主要承受彎曲作用，建議實際應用時，采用工字鋼作為橫梁使用。

（3）有限元分析方法為該企業(yè)上述水箱、支撐架制作提供了指導作用，在方案前期有限元法可以快速、便捷地為方案選型提供指導作用。