（化工过程机械专业论文）大型氧化反应器的三维有限元分析.pdf

大型氧化反应器的三维有限元分析 摘要 本文用a n s y s 程序对在肌工业中使用的某大型氧化反应器进 行了有限元应力分析计算。 论文的主要工作是：首先，通过对反应器结构和工艺条件的认真 分析，结合相关的设计规范，建立了氧化反应器的三维有限元模型； 第二，对反应器整体模型进行了模态分析，得到了反应器的振动特性； 第三，分析了压力、自重、液柱静压力、风载荷、地震载荷和温度载 荷对氧化反应器的作用，建立了每种载荷单独作用时的基本载荷工 况，并进行了载荷工况组合，计算得到了反应器在各种载荷工况下的 应力强度；最后，根据有限元计算结果，依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压 力容器一分析设计标准，对氧化反应器的整体和各主要结构部件进行 了应力评定。 本文对氧化反应器在内压作用下的整体应力计算与理论公式所 得结果相符；对应力分布、载荷的影响等分析结论与经典结论有较好 的一致性，说明了本文所建立的有限元模型合理，计算结果可靠。通 过对不同载荷作用下得到的应力强度的比较分析表明，内压的作用对 氧化反应器整体强度的影响最大。 有限元计算分析结果表明，该氧化反应器的各部分强度均满足要 求，设备安全。 北京化_ 大学硕_ 学位论文 本文的分析计算结果将对此类设备的国产化设计有一定的参考 价值。 关键词：氧化反应器，有限元分析，应力强度，载荷工况，强度校核 i i a b g r r a c t 3 df i n i t ee l e m e n ta n a 工y s i so fa l a r g e o d i z e dr e a c t o r a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，s t r e s sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni nt h ef i n i t ee l e m e n tf o r al a 曙eo x i d i z e dr e a c t o ri ns e n ，i c ei nt h ep 1 1 ai n d u s t r ya r ef i n i s h e db y a n s y ss o f t w a r e t h et h e s i s sm a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y ，3 - df i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h eo x i d i z e dr e a c t o ri sb u n tt h r o u g ht h ed e t a i la n a l y s i so fr e a c t o r s t m c t l l r ea n di t st e c h n i c a lc o n d i t i o na n df o l l o w i n gt h er e l e v a n td e s i g n c o d e s s e c o n d l y ，m o d a la n a l y s i so ft h ew h o l em o d e li sa n a l y z e da n dt h e n t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a c t o ra r co b t a i n e d t h i r d l y ，t h e i n n u e n c e so fv a r i o u sl o a d st h a ti m p o s eo nt h eo x i d i z e dr c a c t o ra r es t u d i e d s e p a r a i e l y t h el o a d s i n c l u d ei i l t e m a lp r e s s u r e ，g r a v i 哆，s t a t i cl i q u i d p r e s s u r e ， w i n dl o a d ，e a n h q u a k e l o a da n dt e m p e r a t u r el o a da n dt h a t s e v e r a lb a s i cl o a dc a s e sc o 玎e s p o n d i n ge a c hl o a dt ob es e p a r a t e l yp u to n t h eo x i d i z e dr e a c t o ra r es e tu p ，a sw e l la s ，s t r e s si n t e n s i t yu n d e fa l lt h e l o a dc a s e sc a nb eg o t t e nb yc o n l b i n i n gl o a dc a s e s f i n a l l y a c c o r d i n gt o j b 4 7 3 2 1 9 9 5 s t e e lp r e s s u f ev e s s e l s d e s i 驴b ya n a i y s i s b a s e do nt h e f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n r e s u l t t h es t r e s se v a l u a t i o nf ) rt h ew h o l e o x i d i z e dr e a c t o fa n di t sm a i np a r t sa r ep e r f o m e d 北京化t 大学硕+ 学位论文 t h ew h o l es t r e s sr e s u l t sc a l ( m l a t e do ft h eo x i d i z e dr e a c t o ru n d e rt h e i n t e m a lp r e s s u r ca r ec o n s i s t e n tw i t ho n e s 仃o mt h e o r e t i c a lf o r m u l a s o m e r e s u l t so ft h ea n a l y s i sa b o u tt h es t i 它s sd i s t r i b u t i o na n dt h ee f f 色c t so fl o a d s a r ea l s oi na c c o r d a n c ew i t ho n e so fs o m ec l a s s i c a lt h e o r i e s ，w h i c hs h o w t h a tt h ef i n i t ee l e m e n tn l o d e lc o n s t m c t e di nt h i st h e s i si sr e a s o n a b l ea n d i t sr e s u l ti s r e l i a b l e a d d i t i o n a l l y ，i nc o m p a r i s o nw i t h s t r e s si n t e n s i t y u n d e rd i f f e r e n tl o a d s ，t h ei n t e r n a lp r e s s u r ei st h eg r e a t e s ti m p a c to n o 、，e r a l ls t r e s si i l t e n s i t yo ft h eo x i d i z e dr e a c t o r t h er e s u l t so ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ee q u i p m e n ts h o wm a t t h eo x i d i z e dr e a c t o rc a nm e e tm es t r c n g t hr e q u i r e m e n ta n dt h er e a c t o ri n s e n ，i c ei ss a f 色 t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sa r eo fac e r t a i nr e f e r e n c e dv a l u et ot h e d o m e s t i cd e s i g no fr e l e v a n te q u i p m e n t s 1 【e y w o r d s ：o x i d i z e dr e a c t o r ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s t f e s si n t e n s i t y ， l o a dc a s e ， s t r e n g t ha s s e s s 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：垄! 苤丛 日期：作者签名：钞i 农林日期：砷鹋s 确 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在量年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：到篡盐 日期： 型蕴：婴： 导师签名： 一社一 日期： 牛 第章概述 1 1 课题来源 第一章概述 本课题来源于中国纺织工业设计院，内容是对济南化工新材料有限公司年产 6 0 力吨精对苯二甲酸( p 1 - a ) 工程中使用的大型塔式设备氧化反应器进行强度计 算和应力分析，以验证该氧化反应器在承受多种载荷( 风载荷、地震载荷和温度 载荷等) 以及它们的危险组合工况下的应力强度，并依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压 力容器分析设计标准，通过合理有效的简化假设，对该设备进行强度校核。 1 2 论文选题的目的和意义 p 1 a 即精对苯二甲酸，是生产聚酯薄膜、纤维及包装树脂的原料，也是一种 应用十分广阔的基础化工原料【”。它由对二甲苯( p x ) 和醋酸化学反应生成， m 再与乙二醇( e g ) 经酯化反应后再经缩聚而形成聚酯( p e t ) ，聚酯经过抽 丝即可得到涤纶纤维，因此p 1 a 是合成纤维涤纶的最重要的基础原料【2 】o 长期 以来，我国p t a 工业的发展滞后于聚酯工业的发展。据海关统计，自1 9 9 0 年以 来，我国p 1 1 a 进口量呈逐年快速增长趋势，2 0 0 5 年进口量高达“9 7 3 万t ，自 1 9 9 0 年至2 0 0 5 年的1 5 年间年均增长率达到2 2 0 7 ，其中尤以1 9 9 5 至2 0 0 0 年 间增长最快，年均增长率高达4 4 2 6 。 预计2 0 1 0 年我国p 1 a 生产能力将达到9 4 3 万t ，进口比例将大幅下降，需 求量将达到1 3 0 0 万t ，2 0 1 5 年约为1 8 2 0 万t 。由此可见，p 1 a 项目仍然有广阔 的发展空间i j j 。 当前的p 1 隗生产技术，其物耗和能耗都已大到了相当高的水平。今后的发 展主要集中在两个方面：工艺的更合理化，重点是工艺过程的简化、公用工程费 用的减少、能量的回收、氧化催化剂的回收等；生产规模的进一步扩大，降低固 定费用从而使生产成本降低，其中通过氧化反应器的最优设计提高氧化效率在技 术竞争中占有越来越重要的位置。p x 氧化反应器工程研究的开展对于引进技术 消化和改造，提高生产效率，降低新建装置的投资费用，创造具有自主专利的技 术，促进可持续发展，都具有很大的意义，经济效益和社会效益将十分巨大【4 1 。 氧化反应器是p 1 a 工艺的核心设备，也是p 1 a 技术国产化的主要难点1 5 】。 世界上许多著名化工公司对其都拥有自己的专利技术，具有多重受保护的知识产 权和极高的专利壁垒，其催化剂、反应条件、设备构造等各种技术细节都被国外 北京化一f 大学硕十学位硷文 专利所覆盖。我国p 1 a 装置建设的关键技术仍然依靠进口，基础研究薄弱，能 耗水平与国际先进水平比较还有相当大的差距，而且实践操作和运行还缺少必要 的理论指导和依据，在对设备的优化改进方面有些地方还停留在经验起作用的层 次。本课题所研究的大型塔式设备氧化反应器几何尺寸大，结构复杂，承受多种 载荷。利用有限元程序a n s y s 对大型塔式设备氧化反应器进行整体的力学研究 和局部的分析( 如各个人孔、接管，过渡部分等的有限元模型进行分析) ，确定 设备在各种复杂工况下的应力分布，从而可以对其强度进行校核。这对于研究、 设计结构的合理性和改进设计有非常重要的意义。 l - 3 有关研究领域的历史、现状和前沿发展情况 我国从2 0 世纪7 0 年代术开始成套引进n a 生产装置，其中代表2 0 世纪8 0 年代技术水平的有扬子石化和上海石化的p 1 a 装置，代表2 0 世纪9 0 年代中后 期技术水平的有辽化分公司、仪征化纤公司、天津石化和洛阳石化的p 1 a 装置 h 。2 0 0 2 年以后陆续投产了珠海b p 、仪化二期，厦门翔鹭、宁波华联三鑫和浙。 江逸盛p 1 a 装置1 7 j 。我国聚酯工业在实现外延式高速发展的同时，在开发、优 化专有技术，实施技改及推广国产化成套聚酯装置方面己进行了大量卓有成效的 工作，据统计，国产化聚酯装置生产能力约占6 4 ，极大地降低了投资费用。我 国p 1 a 生产已有二三十年时间，大批技术人员已积累了大量的经验，通过对p t a 工艺和工程技术开发工作，形成具有自主知识产权的5 0 0 6 0 0 k t a 规模的装置成 套技术和装备，实现p 1 a 装置的国产化f 8 l 口 从2 0 0 0 年起，国家把大型p 1 a 成套技术装备列为重点国产化技术攻关项目。 扬子石化与中国石化工程建设公司、上海医药工业设计院、华东理工大学和南京 工业大学等协作单位成立了p 1 a 成套技术攻关课题组，通过了p 1 1 a 成套技术国 产化的攻关方向。至2 0 0 3 年底，大型p 1 a 成套技术的基础研究，工程研究及配 套研究工作陆续完成。并通过中国石化组织的专家鉴定。之后，扬予石化密切关 注国际p 1 a 行业技术发展走向，与各协作单位不断充实优化大型p i a 成套技术 开发项目的内容，使自有的p 1 1 a 成套技术日趋完善。 由于国外工艺商在p 1 1 a 装置中专利保护很多，尤其是对氧化反应器，从工 艺参数到设备结构专利保护最多。因此要想开发出具有自主知识产权的p 1 1 a 生 产工艺必须从氧化反应器入手。济南f 吴化纤与中国纺织工业设计院合作联合国 内知名高校，对济南原有年产7 5 万吨咒a 装置氧化反应器进气、上部脱水段实 施改造，进行i 蛩产化工艺的工业化试验运行。试验显示，原料p x 反应完全、反 应液位稳定、凹a 粒径合格、防堵措施有效，可以满足反应、传质、混合、固 体悬浮、溶剂蒸发各方面的要求。因此，改造后的氧化反应器作为核心技术应用 2 第一章概述 到国产化p 1 a 装置上是可行的【9 】。 2 0 0 4 年，我国首套3 万怕丙烯酸氧化反应器在西安航天华威压力容器设备 制造有限公司制造成功。该反应器直径5 4 m ，换热管约1 8 万根，起吊蕈量达 1 9 0 t ，制造过程中采用了数控管板制孔技术、自动液压涨管技术和全自动亚弧焊 接技术，技术含量较高。该制造技术的成功结束了丙烯酸反应器一直依赖进口的 局面。 继f r l a 成套技术国产化研究开发之后，扬子石化研究院进一步深入研究了 优化p 1 1 a 装置运行和降低生产成本的各种有效办法。经过一年多努力，日前， 该院开发的一种新型p x 氧化反应器试验装置投料试车耿得成功，为开发出具有 自主知识产权的m 新技术打下了良好的基础1 1 0 。 截至2 0 0 7 年1 0 月2 7 日，中国石油天然气第一建设公司在世界上率先现场 组焊的p 1 1 a 装置氧化反应器，在辽阳石化安全运行6 个月，其技术居国际领先 水平。 辽阳石化氧化反应器总重2 5 4 吨，是p r i a 及配套原料工程中的核心设备， 由英国i n v l s t 公司提供专利技术，美国福斯特惠勒公司设计，比利时c o k e 公 司制造。由于超重超限不能完全在国外制造，只能分三段到货，运到国内进行现 场组焊。 在反应器结构分析方面，北京化工大学硕士研究生王楠利用有限元程序 a n s y s ，对聚丙烯环管反应器进行了三维有限元分析，确定了聚丙烯环管反应 器的主要尺寸，并进行了结构优化，得到了一些有意义的结论【1 1 l 。 大连理工大学硕士研究生张同对石化行业中延迟焦化工艺的重要设备焦炭 塔进行了结构强度分析和疲劳寿命评估，利用有限单元法理论，建立了瞬态温度 场分析模型，研究了塔壁的热变形和热应力和在各种机械载荷作用下的应力，从 而可以为焦炭塔的事故分析及结构改进提供了依据1 1 2 l 。 浙江大学化工系王丽雅等人通过对p x 氧化反应过程的工艺剖析，建立了反 应器的动态模型，并针对工业稳定性生产过程的特点，进行了线性化研究，考察 了各因素变化对反应器操作的影响【1 3 l 。 杨国义等人从压力容器分析设计的角度详述了塔式容器整体应力分析的过 程、方法和评定原则，对一些分析过程中的关键性问题进行了说明，如塔式容器 所承受的各种载荷及其相应的旄加方法，从而为解决塔器分析设计提供了可供工 程参照的方法l 。 锦西化工机械有限责任公司张洪伟等人结合工程设计实例和有限元分析，给 出了在考虑风载荷、地震载荷等外载荷作用下，按照等面积原则进行高塔开孔补 强设计的解决方案【1 5 j 。 3 苎塞些三查堂竺! ：兰竺丝茎。 北京燕化石油化工设计院李晓航等人采用有限元分析方法，对塔底大开孔在 内压、不同方向的风载荷及重力载荷情况下，进行应力分析，探讨风弯矩对塔底 大开孔应力分布的影响f 1 6 j 。 济南正吴化纤新材料有限公司p 1 1 a 工程建设指挥部的王瑛等人通过提高塔 板开孔率、塔板整体更换等措施进行了氧化反应器的扩产改造，改造后的氧化反 应器产能扩大，经济效益明显【堋。 1 4 本课题分析研究的内容 1 4 1 设备的特点及分析计算条件 第一，该氧化反应器结构复杂。体积大，尺寸差异大，该反应器总高3 6 0 5 4 米，最大内径为7 8 米，反应器上开有人孔、各种物料进出孔。 第二，承受载荷复杂。该反应器共承受筒体内压、自重、液柱静压力、风载 荷、地震载荷和温度载荷的独立作用或共同作用，载荷作用形式复杂。 该氧化反应器的结构简图如图1 1 所示。反应器上开有人孔、各种物料进出 孔。空气以高速气流从底部吹入混合液( p x + 醋酸) 中，与混合液发生反应。反 应后的气体在上部出口排出，物料在底部出料口卸出。由于设计温度与环境温度 相差很大，为达到尽量好的保温隔热效果，氧化反应器整体设有保温层，整个保 温层从上部封头到裙座底部往上7 米处。 该氧化反应器主体部分的结构和尺寸大致是：裙座部分内径为7 8 0 6 米，厚 度为0 0 2 8 米，材料为1 6 m n r ；下封头为球形封头，内径为7 8 米，厚度为o 0 3 2 米，材料为1 6 m n r ；简体部分为下筒体内径为7 8 米，厚度为o 0 6 2 米，材料为 1 6 m n r ；上筒体内径为6 米，厚度是0 0 6 米，材料为1 6 m n r ，中间筒体过渡部 分厚度为o 0 6 2 米。上封头为椭圆封头，厚度为o 0 4 米，材料也是1 6 m n r ；在 整个筒体、封头的内表面堆焊着一层厚度是3 毫米的钛衬里。 该氧化反应器的设计温度为2 3 0 ，设计压力为1 5 m p a ，工作温度为 1 8 牝1 0 ，工作压力为1 3 5 m p a ，操作介质为p x + 空气+ 醋酸+ 催化剂，介质 特性为腐蚀性和毒性，该设备属于二类压力容器。设备使用当地的基本风压为 “1 小2 ，地震设防烈度为7 度。 1 4 2 主要研究的内容 基于工程应用和理论探索的考虑，本课题通过分析设计法原则，对氧化反应 器所受载荷产生的应力进行分类，评估其中各种工况下机械载荷应力和温度载荷 4 第一章概述 应力对整个设备的影响。通过运用大型通用有限元软件a n s y s 建立氧化反应器 的整体三维有限元实体模型，用计算机数值模拟技术在前人基础上得出更为精确 的结果。对该氧化反应器分析研究的主要内容包括： 1 建立三维有限元模型：包括整体和局部接管和过渡部位的有限元模型； 2 对该设备的有限元模型进行模态分析，得到其前几阶的固有频率和振型， 为计算风载荷和地震载荷做好准备； 3 计算氧化反应器的有限元模型在各种载荷作用下的情况，进行应力分析； 4 根据设备运行的实际情况，组合载荷工况； 5 依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计标准对氧化反应器进行安 全性评定和设备的安全性分析。 北京化t 大学顶i 学位论文 ， 、 t j 硅 “ 一 _ p 2 。 f 撮柞t n n 7 b i j 。 交嵴 ? 2 眦 、r 一夕 n 3 图1 1 氧化反虑器结构示意图 f j g 1 - ls h u c i u r cd i a 粤a m0 fo 】【i d i z e d 佗a c l o r 6 第二章氧化反腑器的结构图和分析计算条件 第二章氧化反应器的结构图和分析计算条件 2 1 结构示意图 该氧化反应器整体及部分结构如图2 1 所示。 谗 一 ik 神 豇 錾据蹩批 i一。广 鞋鲁堰笤 一 萎：o 量 气q 璺了 - l ! ；= 1 薰褂i ：h 型掣讳蒌 ：；： ： - 厂一 i i 雉& 羹 一一- 兽 ! 譬s 十 ! f 立 、 目 一 爿 雌 i l| 4 l 式， 瓣，# ， 、 - 一。l h 一! ，一+一 ! “裟一7 一f j 生 k 童壤烈? _ i 满，生丽西瓣亍攥“骊 。- 形警伊。 i l i 一 l 。 s q ；。 鞋 吐审恼 i o 一p 卿 l1 1 l _ 6 1 1 剀 。；：z ：篙嚣鬈裟：，迳嘉黧彝盛翟生窖j 型 ：臻怒勰 黼基鬻餮羞篱葱 图2 1 氧化反应器整体及局部结构图 f i g 2 - l1 飞cw h o k p a n i a l 蚰1 i d u md i a 掣a mo fo 菇d i 盟dr e a c t 盯 7 北京化工大学硕i + 学位论文 2 2 结构条件及主要工艺参数 2 2 1 结构条件 该氧化反应器整体上采用了1 6 m n r 一种材料。在整个筒体、封头的内表面 附着一层厚度为3 m m 的堆焊层，材料为钛( 钛衬里) 。设备各部分内径及厚度如 表2 1 所示。 表2 1 氧化反应器各部分尺寸 i a b l e2 - 1d i m e n s i o no fp a r t so fo x i d i z e dr e a c o r 反应器的具体尺寸见图2 1 。 2 2 2 主要工艺参数 氧化反应器的主要工艺参数见表2 2 。 表2 2 氧化反应器丁作条件 i - a b l e2 - 2o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fo x i d i z e dr e a c t o r 项目数值 设计压力( m p a ) 操作压力( m p a ) 设计温度( ) 操作温度( ) 基本风压( p a ) 地震设防烈度( 度) 8 篡嚣伽， 第三章氧化反应器有限元模型的建立 第三章氧化反应器有限元模型的建立 3 1 有限元数值分析方法及a n s y s 通用有限元软件简介 有限单元法( 或称有限元法) 是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算 方法。它将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并通过 它们边界上的结点相互连接成为组合体。然后用每个单元内所假设的近似函数来 分片地表示全求解域内待求的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函 数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达( 此表达式通常表示为 矩阵形式) 。由于在联结相邻单元的结点上，场函数应具有相同的数值，因而将 它们用作数值求解的基本未知量。这样一来，求解原来待求场函数的无穷多自由 度问题转化为求解场函数结点值的有限自由度问题。通过和原问题数学模型等效 的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量的代数方程组或常微分方程组。 此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式。接着用数值方法求 解此方程，从而得到问题的解答。 由于单元在空间可以是维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的 形状，同时各种单元之间可以采用不同的联结方式，这样一来，工程实际中遇到 的非常复杂的结构或构造都可能离散为由单元组合体表示的有限元模型。由于用 单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方 程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须是相同的形式，所以尽管有限元法 开始是对线弹性的应力分析问题提出的，很快就发展到弹塑性问题、粘弹性问题、 动力问题、屈曲问题等，并进一步应用于流体力学问题、热传导问题等，而且可 以利用有限元法对不同物理现象相互耦合的问题进行有效的分析。 由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导致求解方 程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机 软硬件技术的高速发展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型复杂问题的有 限元分析已成为工程技术领域的常规工作1 1 8 j 。 近3 0 多年来，伴随着电子计算机科学和技术的快速发展，有限元法作为工 程分析的有效办法，在理论、方法的研究、计算机程序的开发以及应用领域的开 拓诸方面均取得了根本性的发展。现在大型通用软件已成为工程技术界广泛应 用，并成为c a d o w 系统不可缺少的组成部分。其中a n s y s 就是一种使用比 较广泛的大型通用有限元软件。 a n s y s 有限元程序是匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n n 博士创立的 9 北京化丁人学硕j 学位论文 a n s y s 公司开发的功能强大、应用广泛的大型多功能商用有限元计算机程序。 它是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，具有多 物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各种各样的耦合计算，如：热一结构耦 台、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合。a n s y s 软件是美国机械工程师 协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 、美国宇航局( n a s a ) 、中国铁路机车 车辆工业总公司、全国压力容器标准化技术委员会( c i l s c p v ) 等近二十种专业技 术协会认可的标准分析软件。成为国际公认的工程仿真及校验工具。1 9 9 5 年1 0 月，该软件己通过全国压力容器标准化技术委员会的测试，并在国务院十七个部 委推广使用1 1 9 j 【矧，被认可为压力容器分析设计标准( j b 4 7 3 2 1 9 9 5 ) 相适应的有 限元分析软件，用于压力容器分析设计。本分析使用的版本为a n s y s 9 o 。主要 使用了其中的结构分析模块。 3 2 建立整体模型的原则 本课题利用a n s y s 建立氧化反应器的整体1 ：1 模型，从而能够更加真实 的模拟设备的实际结构。建立模型时没有考虑简体内衬钛层部分，这样忽略了衬 钛层对整体强度的贡献可以使计算结果偏于安全。另外，对于一些局部的小孔也 没有建出，因为它们对整体强度的影响可以略去不计。所建的人孔或接管有：出 口n 4 、人孔m 1 、m 2 、m 3 ，接管n 2 b 、n 2 f 、出口n 3 ( 参见图2 1 1 。由于法兰 属于刚性部件，各个人孔和接管的模型也只是建到了外伸的与法兰焊接的部位。 建成后的几何模型如图3 1 、3 2 所示。 图3 1 氧化反应器整体几何模型 f i 9 3 - l1 k w h o l eg e o m e 晡cm o d e lo fo 】【j d i z c d r e a c t o f 1 0 图3 2 去掉裙座的氧化反廊器结构示意圈 f i g 3 - 2s t r u c n i r ed i a 踟o fo x i d i z e dw i t h o u t s k i n 第三章氧化反戍器响限元模型的建立 3 3 单元简介 有限元模型中主要使用了a n s y s 中的s o u d 9 5 单元。 s o u d 9 5 是三维2 0 节点实体结构单元，比8 节点单元有更高的精度。 s o u d 9 5 单元具有协调的位移函数并且能很好的模拟边界曲线。单元通过2 0 个 节点来定义，每个节点有3 个自由度。单元也可有任何的空间定位。s o u d 9 5 单元具有塑性，蠕变，应力强化，大变形和大应变等能力。 本单元需要定义的主要材料常数有弹性模量，线膨胀系数，泊松比，密度等， 输出结果主要包括节点各方向的应力、应变、位移以及相应的单元导出解。 t & r 曲e d o d 蛔 p 6 5 m o 嘣 图3 - 3s o u d 9 5 三维实体单元结构示意图 f i g 3 - 3s t r u c t l l r ed i a g r 啦0 f3 - de l e m e n ts o l l d 9 5 3 4 整体和局部有限元模型 3 4 1 单元网格划分 本分析中采用由点生成线，由线生成面，由面生成体的自底向上的建模方法。 由于该设备外接管较多，其大小尺寸也差异比较大，因此在建立模型时忽略 了一些尺寸较小的接管，因为它们对设备整体强度的影响很小，可以忽略不计。 根据氧化反应器的实际结构尺寸建立几何模型，合理选用了a n s y s 网格划分工 具的手动和自动划分功能，在建成的有限元模型中，单元总数为1 2 2 0 2 6 个，节 点总数为6 3 3 2 3 9 个。 为了保证结果的合理性，划分网格时，上下封头和简体部分沿厚度方向划分 簿 鬯。纠 z l ， x 北京化t 人学蛳卜学位论文 为2 层，裙座部分划分为1 层，而且四边形单i 在任意两个方i q 的尺寸比例小超 过1 ：7 ，均匀结构部分放火到1 ：1 0 川【列。 3 4 2 整体和局部有限元模型 整体和局部的有限元模，型如图3 - 4 3 7 。 图3 - 4 氧化反应器整体有i 艇元网格幽 f 碴3 - 4f i n i t ee l c m e n m o d e lo fo x i d i z e dr e a c l o r 图3 5 椭圆封头有限元网格图 f j g 3 - 5f i n i l ee l e m e n tm o d e lo fe l l i p l i c a lh e a d 1 2 图3 6 人孔有限元网格幽 f i g 3 - 6f i n i i ee l e m e n tm o d e lo fm a n h o l c 第三章氧化反麻器有限儿模型的矬垃 3 5 材料属性 图3 - 7 部分球形封头有限元网格图 f j g 3 - 7f i n h ee l e m e n tm o d e lo fp a f t i a ld o m eh e a d 氧化反应器主要使用了1 6 m n r 一种材料，其物理常数全部为其设计温度 ( 2 3 0 ) 或工作温度( 2 1 0 ) 下的值。该材料的材料属性见表3 1 ，许用应力 强度见表3 2 。 表3 1 材料属性表f 矧 1 h b i e3 一lm a t e f i a lp m p e n yp a r a m e i e r 表3 - 2 材料许刚应力强度表【矧 t a b k3 2m a t e r i a la l l o w a b l cs t r e s s 材料厚度，m m设计温度许用麻力强度m p a_ r ：作温度许用应力强度m p a 4 02 3 0l “ 2 1 01 4 8 1 6 m n r 6 22 3 01 3 5 82 1 01 3 8 6 3 22 3 01 5 2 22 1 0 1 5 7 4 2 8 2 3 01 5 2 22 1 01 5 7 4 1 6 m n2 3 01 3 9 42 1 01 4 1 8 3 6 约束条件 由于氧化反应器为立式塔式设备，所以采用立式容器的约束标准。在反应器 的裙座底部限制x y z 三个方向的位移和绕x 轴、y 轴、z 轴的转动。施加约束 后的有限元模型见下图3 8 。 北京化r 人学删! i 学位论义 图3 8 氧化反应器攀体约束 f j g 3 - 8g 1 0 b a lc o n s t a i n io fo x i d j z e dr e a c t o f 1 4 第p q 章模态分析 4 1 模态分析概述 第四章模态分析 模态分析是用于对机械系统、土建结构、桥梁等工程结构系统进行动力学分 析的现代化方法和手段。模念分析可定义为对结构动态特性的解析分析和实验分 析。其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系统运动微 分方程的特征值和特征矢量：而在实验方面则是实验测得的系统之极点( 固有频 率和阻尼) 和振型( 模态向量) 。模念分析已被广义地理解为包括力学系统动态 特性的确定以及与其应用有关的大部分领域。模态分析也是动力学分析如瞬态动 力学分析，谐响应分析和频谱分析等的基础。固有频率和振型是结构设计中动力 载荷状态的重要参数。频谱分析和模念叠加也离不开模态分析阳。 a n s y s 产品中的模态分析是线性行为，任何非线性特性，如塑性和接触( 间 隙) 单元，即使定义了也将被忽略，但支持绑定接触。a n s y s 提供了七种模态 提取方法，它们分别是：子空间法、分块l 加c z o s 法、p o w e r d v n 锄i c s 法、缩减 法、非对称法、阻尼法和q r 阻尼法。阻尼法和q r 阻尼法允许在结构中存在阻 尼。 结构的振动特性决定了结构对于各种动力载荷的响应，因此要计算风载荷和 地震载荷，首先要计算反应器的固有频率。由于塔体结构复杂，各部分结构互相 牵制，无法采用解析法准确地求出其圆有频率。因此，本分析利用建立的反应器 的有限元模型进行结构的振动特性分析，求出反应器的固有频率。 4 2 模态提取方法 典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题： 【k 】 中；卜砰【j j l f 】 中，) ( 4 1 ) 式中：【k 】刚度矩阵； 伸，卜一第f 阶模态的振型向量( 特征向量) ； q 第f 阶模态的固有频率( 斫是特征值) ； 【m 】_ 一质量矩阵。 北京化工大学硕十学位论文 a n s y s 提供了7 种模态提取方法。分块l a n c z o s 法、子空问法、 p o w e r d y n a m i c s 法和缩减法是最常用的模念提耿方法。表4 1 比较了这四种模态 提取方法，并分别对每一种方法进行了简要描述。 表4 1 模态提取方法比较【纠 i 妯l e4 lc o m p a r i s o no fm o d a le x t r a c t i o nm e t h o d 模态提取法适用范围内存要求存贮要求 默队提取方法 用十提取大模型的多阶模态( 4 0 阶以上) 分块i c z 法建泌在模型中包含形状较差的实体和壳单元时采用此法 由 低 最适台于由壳或壳与实体组成的模型 速度快，但要比了空间法内存多5 0 用于提取大模型的少数模态( 4 0 阶以下) 一 适合于较好的实体及壳单元组成的模型 可用内存有限时该法运行良好 子空间法 低高 稳定但较慢 需要大量的硬盘窄间 对约束方程、刚体模态有田难 用于提取大模型的少数阶模态( 2 0 阶以下) 适合于1 0 0 k 以卜自由度模型的特征值快速求解 p a w c r d y n a l n j 法对于网格较粗的模型只能得到频率近似值 高低 复频情况时可能遗漏模态 模态分析不能用于后续的辫分析和p s d 分析 用十提取小到中等模型( 小于1 0 k 自由度) 的所有模态 选取台适主自由度时可获取人模型的少数阶( 1 0 阶以下) 缩减法模态低低 此时频率计算的精度取决于主自由度的选取 速度最快 分块i 肋c z o s 法特征值求解器是默认求解器，它采用l 丑n c z o s 算法，是用一 组向量来实现l 棚c z o s 递归计算。这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。 由于本课题中模型自由度数很大，故在进行模态分析特征值提取时采用此法。 子空间法采用子空自j 迭代技术，本质上是通用j a c o b i 迭代。由于使用整个【k 】 和f m l 矩阵进行运算，所以精度高，也正是由于这个原因子空间法比缩减法慢。 这种方法经常用于精度要求高而主自由度无法制定的情况下。如果模态分析中有 大量的约束方程，子空间法应采用j c g 求解器替代波前求解器，或者使用分块 i 舢c z o s 法提取模态【“。 p o w e f d v n 锄i c s 法内部采用空间迭代计算，但采用p c g 迭代求解器。这种 方法明显地比子空间法和分块i 朋c z o s 法快。但是，如果模型中包含形状较差的 单元或病态矩阵时可能出现问题不收敛。该法特别适用于求解超大模型( 大于 1 0 0 0 0 0 个自由度) 的起始少数阶模态。 缩减法采用h b i 算法( h o u s e h o l d e r - 二分逆迭代) 来计算特征值和特征向量。 1 6 第川章模态分析 由于陔方法采用一个较小的白山度子集即丰白山度( d o f ) 来计算，冈此计算速 度更快。主自由度( d o f ) 导致计算过程中会形成精确的【k 】矩阵和近似的【m 】 矩阵。因此，计算结果的精度将取决于质量矩阵【m 】的近似程度，近似程度义取 决于主自由度的数目和位置【川。 4 3 模态分析结果 一般来说，低阶共振的振幅较大，对于结构的危害较严重，高阶共振振幅相 对较小，危险程度低一些，而且对于低频响应来说高阶模态的影响很小，因此对 于工程震动问题，没有必要求解全部的特征值，只需求解前几阶或十几阶模态， 而将高阶的模态抛弃掉，这种处理方法就是模态截断。 本课题通过建立氧化反应器的三维有限元模型并进行模态分析，提取反应器 的前6 阶模态，得到了该漫备的前6 阶固有频率，如表4 2 所示。 表4 - 2 反应器的前6 阶崮有频率 1 抽l e4 - 2n a i u r a lf i e q u e n c yo fo x j d i z e df e a c t o rn d ml h ef i r s lt 0t h e6 t l l 模型对应的前6 阶的振型图如图4 1 所示： 第。阶振型幽第：阶振型划第三阶振型图 1 7 第四阶振删【冬|第剐价振) 弘图第八阶振删i 刳 图4 1 氧化反应器的前 阶振) f i g 4 - 1m o d e ls t y j co fo x i d i z e d 他a c t 。rf r o mt h en r s l l ol h es i x t h 由振型图可以看出，反应器的第i 、p u 阶振型为弯曲振型。 1 8 第五章氧化反廊器载荷分析 5 1 载荷工况组合 第五章氧化反应器载荷分析 通常在后处理中，每次只能将一组数据读入数据库( 例如载荷步1 的数据) 并进行处理，在读入新的数据的同时，后处理器将原有数据库中的结果部分清除， 而后读入新的结果数据。如果需要对两组完整的结果数据进行操作，例如比较并 存储两组结果数据中的最大值，a n s y s 提供了载荷工况组合工具。一个载荷工 况是指定了参考号的一组结果数据。用户可以定义载荷步1 的计算结果为载荷工 况1 ，定义载荷步2 的计算结果为载荷工况2 等等。载荷工况问的操作称作载荷 工况组合，工况组合是对当前数据库中的载荷工况荷其他载荷工况文件中的数据 进行运算，组合的结果将覆盖原有的数据库中的结果，从而用户能够显示工况组 合的结果【1 1 j 。 在本分析中，氧化反应器的载荷是通过定义6 个载荷步文件来实现的，并分 别求解这6 个载荷步。由于整个模型和求解过程都是线性的，根据叠加原理，可 以按照工程实际的需要，对其中比较危险的几种工况组合结果进行分析。 5 2 简体内压 氧化反应器简体内壁承受内压的作用，施加时按设计压力( 1 5 m p a ) ，作为 表面压力施加在反应器的内筒内表面上。在载荷工况一中，选择反应器内筒壁面 施加1 5 m p a 的压力； 接管等效力是内压作用在人孔盖、各接管盖上的压力等效到模型接管外部的 圆环上的等效力( 其实质也是简体内压) ，其计算公式为： a 为反应器内压( 5 - 1 ) 根据公式分别计算出模型上所建的人孔和接管上的等效力，其结果如下： 接管n 4p 。黑垒堕t ；1 0 6 7 6 4 a