abaqus软件在立式容器支承式支座中的应用

abaqus软件在立式容器支承式支座中的应用

任梦琴

中石化中原石油工程设计有限公司  河南省郑州市   450000

摘要：采用abaqus有限元分析软件，分析一台工程实际中立式容器支承式支座应力及应力分布，相较于传统机械设计中的强度校核计算，abaqus有限元分析可以更加直观的看出应力大小及应力分布范围，进行强度校核及材料许用应力校核，对不满足强度要求和材料要求的地方可以采取有效措施降低应力集中。

关键词：支承式支座；abaqus有限元分析；应力集中

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，对于一些无法直接计算应力的设备或者采用常规方法计算应力较为复杂的设备可以通过模型模拟来研究应力分布及应力集中，然后根据应力分析结果探讨具体情况采取何种措施降低应力集中，以达到材料强度要求。Abaqus软件在处理模型过程中更加直观形象的显示出应力分布，对研究人员采取措施有较好的指示功能。

支承式支座是一种立式容器经常使用的支撑结构，一般用于高度不大且距离基础地面或楼面较低的立式容器，分为由数块钢板焊制的A型支座和钢管与钢板焊制的B型支座两种型式。由于支承式支座与设备下封头连接处会产生较大的局部应力，故在支座与封头之间需增设垫板焊接。NB/T47065.4-2018《容器支座 第4部分：支承式支座》给出了支承式支座的结构形式，选型参数，尺寸规格等，一般情况可以选用标准中的型号，然后按强度校核计算支座的强度，有些情况需要选用非标支座，这种情况无法直接查阅支座理论载荷，需通过计算来校核支座是否符合载荷及强度要求。文献[2-5]提到一些计算方法，有的采用UG8.0有限元分析，有的采用传统计算方法，这些方法都展示了一定的优势与劣势。

本文采用abaqus有限元分析软件分析一台采用支承式支座的立式容器，对支座与封头焊接部位和支腿本体进行有限元分析，分析其应力与应力集中部位以及应力最大处应力大小，校核其强度和应力是否满足要求，为支承式支座的设计与选型提供参考。

1. 传统的机械强度校核计算

1.1设计条件

本工程设备采用的封头和筒体材质为Q245R，许用应力为147MPa，容器内径D为1200mm，筒体长度L=4500mm，封头采用标准椭圆封头(EHA)，容器厚度为δ=12mm，厚度附加量C=1mm。设备设计压力P=1.0MPa，设计温度T=60℃，在室内使用，不考虑风压，地震设防烈度7度（a=0.1g）设备总高H=5524mm，设备总质量m=7650kg，支座数量n=3，不考虑偏心载荷。支座采用钢板焊制的A型支座，垫板厚度10mm，材质为Q245R，底板采用厚度为10mm的钢板，材质为Q235B。设备下封头与支座连接简图见图1.

图1 设备下封头与支座连接简图

1.2支座实际载荷计算与强度校核

设备支承式支座的载荷计算采用标准中的相关公式：

式中：Q一支座承受的载荷，kN;

D一支座安装尺寸，对A 型支座，D=2S2 ；

g—重力加速度，取g=9.8lm/s2;

Ge—偏心载荷（包括管道推力引起的当量荷载），N;

Se－偏心距（包括管道推力引起的当量偏心距）,mm;

H一水平力作用点至底板高度，mm;.

k一不均匀系数，安装3 个支座时取k=l，安装3个以上时，取k=0.83;

mo一设备总质量（包括壳体及其附件，内部介质及保温层的质量），kg;

n一支座数量；

p一水平力，取Pe十0.25Pw 和Pw 的大值，N。

Pe一水平地震力N;

Pw一水平风载荷N。

工程设备质心高度为2900mm，取f1=1，重力加速度g=9.8m/s2，将工程设备参数代入式中计算得水平地震力Pe=2420.14N，水平风载荷Pw=0N，水平力P=2402.14N，支座实际承受载荷Q＝17.97KN，本设备选用的是标准支腿，可直接在参考文献1中查询，经查，本设备选用的支腿许用载荷为27KN，因此该设备Q＜【Q】=27kN，满足支座本体允许载荷的要求。

2. 建模与仿真计算

2.1三维模型的建立与网格划分

使用solidworks建立曲面模型，转化为IGS格式保存，在导入abaqus软件中作为部件，单元类型为S4R，设置网格大小为5，单元数量为11536，节点数量为11805。

2.2 添加材料属性

设备本体与支座垫板选用的材料为Q245R，支座为Q235B，弹性模量为197x103MPa，密度为7850kg/m3，屈服强度为235MPa，泊松比为0.288。

2.3添加约束和载荷

支座的垫板与设备封头和筒体采用面-面绑定，支座底板螺栓孔固定，采用理想化几何模型看为固定约束，支座底板完全不动，此时考虑载荷主要为设备自重和设备内部压强，设备自重为2050kg，设备内部压强为1.0MPa

2.4 创建分析步

为简化模型，使计算过程更加便捷，软件模拟过程采用静态分析，模拟过程不考虑非线性，总时长设置为1，增量步大小设置为0.2。

2.5软件分析求解

打开abaqus有限元分析软件，调用14cpu线程，导入solidwork做的三维模型，确认网格划分大小以及约束和载荷是否合适，最后进行有限元计算，结果显示支座与封头焊接处应力最大为92MPa，这是因为采用支承式支座时采用垫板焊接在封头与支座中间，有效降低了应力集中，选用的材料在设计温度下的许用应力为114.5MPa，因此支座本体与封头焊接处满足材料强度要求。支座底板应力最大为123MPa，原因为设置模型的时候设置的是螺栓孔完全固定，实际工况为螺栓与螺母连接，有一定的摩擦，因此此处在校核的时候观察周边应力大小即可，通过观察可以看出，周边的应力范围普遍在70~80MPa，而材料许用应力为114.5MPa，因此支座底板处应力也满足材料强度要求。

3. 结论

通过对工程设备的计算与应力分析可以看出，传统的计算方法较复杂，在计算复杂工况或者在选用非标准支座时计算过程较繁琐，而采用abaqus有限元分析软件，在分析具体工况的时候可以尽可能的还原设备具体工况，完成模拟时的结果也更具体直观。

1)从支座底板图可以看出支座底板螺栓孔中心处应力最大，这是因为在软件模拟过程中把支座底板螺栓孔模拟成一个完全固定结构，实际生产时螺栓与螺母连接，中间并不是完全固定也会极大的降低螺栓孔处应力集中。

2)在实际生产时如果需要选用非标准支承式支座，可以通过使用abaqus软件进行有限元分析，用来考察非标准支座的载荷及应力分布，也可以对强度以及载荷进行校核，可以明显看出应力集中部位以及载荷是否满足要求，供有关人员在设计中进行参考。

参考文献

[1]NB/T47065.4-2018，容器支座 第4部分：支承式支座.

[2]韩伟，马洪明. 大直径立式容器非标准支承式支座校核. 石油化工设备，2015,44（2）.

[3]慕龙. UG CAE有限元在立式容器支座设计中的应用. 橡塑技术与装备（橡胶版），2014.

[4]汪洪杰,吴苏. 立式容器标准支座改型设计及强度计算. 石油化工设备，2001,30（1）.

[5]李伟良.大型立式容器腿式支座的设计计算. 石油和化工设备，2015,18（36-39）.