化工设备中体与面结构连接模型的有限元分析

第 4 9卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 化工设备与管道 P R OC E S S E QU I P ME NT&P I P I NG 、 ，0 1 4 9 No 6 De c 2 0 1 2 压 力 容 器 化工设备中体与面结构连接模型的有限元分析 徐 君臣，王泽武，银建中 ( 大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要：在压力容器的分析设计中，经常会遇到三维实体和薄壁板壳组成的结构 ，对其建模 中单元的选取 以及分析 结果的精度仍是工程 中亟待解 决的关键 问题，而关于体与面连接模型鲜有研究。基 于线弹性模 型和有限元手段 ，采用全实体单元、约束方程、多点约束 ( MP C)、刚度 叠加法建立体与面连接模 型， 使 用实体和 壳单元对 变截面梁进行 了研 究，得到 高阶单元及 多点约束法在体与面连接 方面具有较高的准 确性。并应用于实际的化 工设备反应器底板和高颈法兰，验证 了所开发体与面连接模型的可靠性 。 关键词：压力容器；连接模型；多点约束法；有限元法 中图分类号 ：T Q 0 5 0 -3 ；T H 1 2 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 9 3 2 8 1 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 1 卜0 0 6 在对压力容器的结构进行分析和设计时，经常 会遇到三维连续体和薄壁板壳组成的结构，例如管板 与换热管的连接，法兰与接管的连接等 。对于薄壁板 壳结构，一般来说应该选择壳单元，但是要获得板壳 沿厚度方向的计算数据时，就必须采用实体单元。常 用的实体单元有 8节点低阶单元 S o l i d 4 5和 2 0节点 高阶单元 S o l i d 9 5 。选择 2 0节点高阶单元 S o l i d 9 5 对 薄板进行有限元分析的文献很少 【 1 ，为了节省计算时 间，大部分文献都选择了 8节点低阶单元 S o l i d 4 5 对 薄板进行有限元分析 ，而不同的单元对计算结果 精度 的影响比较大。为此，有必要探讨不 同的实体 单元对于薄壁板壳分析的精度问题 。当薄壁板壳结 构离散成壳单元时，由于体、壳单元的自由度不同， 实体单元的每个节点只有 3 个 自由度，而壳单元的每 个节点具有 6个 自由度， 当直接将它们连接在一起时， 即存在 自由度不协调的问题，因此需要研究和解决两 种不同类型单元的连接问题。 对于不 同单元的连接问题，许多学者提出了自 己的看法。高广军 等使用复合单元实现了板单元 与实体单元之间的过渡，复合单元可以看成是板单元 与实体单元的组合，其刚度矩阵可以看成是板单元刚 度矩阵与实体单元刚度矩阵的叠加，即复合单元具有 3 个方向的位移 自由度和 3 个方向的转动 自由度 ，计 算结果与全实体模型的计算结果偏差较小。孙战金 _ 6 等总结了在有限元分析建模过程中处理不同类型单 元连接的方法，对于简单情况，可以选择建立约束方 程 的方法，而直接引入刚度法则在使用中更简单直 观。赵专东 等提出了一种壳、体单元结合的使用 方法：用壳分体，在壳、体新产生的交界面处也用壳 单元划分网格，既能保证壳、体单元连接处节点自由 度的一致性 ，又保证了柔体固有频率的正确性。谢元 丕 等分别采用约束方程法与 MP C法对三维实体单 元和板单元组合模型进行了计算，并对两种方法计算 的结果进行了综合的比较，得出了在三维实体单元与 板壳单元的组合建模中MP C法可以取代约束方程法。 朱涛 【 9 等分别采用了约束方程、刚度叠加、复合单 元的方法对地铁车辆仿真模垂 ! 进行了计算，计算的结 果与全实体模型基本一致。汤华涛 】 叫 等研究了MP C 法处理壳体与实体单元连接的精度，结果发现壳体的 网格划分小到一定程度时，模拟结果基本不变，而实 体并非单元划分得越密，计算精度越高。可见，在 使用 MP C法计算时，连接处体单元网格划分方式会 影响计算精度，要得到精确的计算结果就必须选择 合适的节点数。谢最伟 等使用全实体模型、MP C 法及约束 自由度法对块体和薄板连接模型进行 了计 算，计算结果偏差较小 。周艳 1 等分别采用 MP C 法和全实体模型对梁进行了分析，结果