基于ANSYS对压力容器管板的有限元分析

汪姗++刘富鹏++饶云松

[摘 要]本文使用有限元分析软件ANSYS，通过计算分析，旨在研究节点筋板强度和重量之间的平衡点。本文的主要研究内容包括节点建模进行参数化，讨论节点管的角度对筋板所需厚度的影响，获得各种节点形式对应的建议筋板厚度，发现筋板危险区域的位置，探讨加筋板的优化方式，为节点优化，平台减重提供一些建议。

[关键词]ANSYS 参数化建模 有限元 非管节点 筋板 极限能力

中图分类号：O342 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）12-0135-02

一、引言

加筋板结构是一种常见的结构形式，它被广泛地应用于桥梁、建筑、航空、航天、船舶等工程中。加筋板是平台结构的主要组成部分，它在保证结构可靠性和耐用性的前提下可大大地节省结构材料，减轻结构重量，从而提高结构效率和经济性。目前，海上平台的节点筋板重量占到了平台结构重量的百分之十左右，可以说这部分重量偏高，还有优化的空间和必要。节点减重不但能减小用钢量，节约成本，还能对装船，拖航，吊装等起到正作用。在平台结构中，传力过程简单可以看做由上层甲板传递给本层立柱（斜撑），立柱（斜撑）传递给本层梁，再由梁传递给腿柱直至传递到地基中。而节点在立柱（斜撑）到梁的这一过程中起到作用。

二、研究方法

本文基于有限元软件ANSYS，利用APDL语言，编制参数化的命令流，对同一形式的节点进行多个不同的计算，优化分析，对比每种情况下的杆件应力，以获得最佳材料使用率。同时，与工程计算理论计算方法对比，更加有效的反映了节点在受外力作用下的真实应力分布，体现材料的利用率，以获得最优化的设计。

通过改变筋板结构的厚度，圆管尺寸等参数，分别进行组合，运用Ansys有限元软件进行计算，得出不同圆管尺寸下的筋板推荐厚度。找出筋板较为脆弱部分，通过横向筋板进行加强，同时探讨双向筋板的可优化性。

三、典型节点的研究分析

3.1 节点的理论公式设计法

目前，常规节点的校核上，采用的是3.1中提及的公式（1）公式（2）以及一些其他AISC上的公式进行计算，这种算法在在工程生产上得到了验证，但计算较为保守。

3.2 节点的有限元计算

3.2.1 节点模型

本节计算了大量的节点模型，通过调节节点圆管的不同管径壁厚，圆管不同角度，节点筋板的厚度来达到探求合适筋板厚度的方式，下面以406X13管90°的情况为例介绍模型的基本情况。

计算所使用的模型梁长统一为6000mm，梁深度为1200mm腹板厚度为16mm，加宽段翼缘为管直径加上300向上取整百，非加宽段翼缘为管直径向下取整百。筋板宽度与加宽段翼缘宽度一致，筋板深度与梁深度一致，筋板厚随着模型不同而调节。

实体模型向有限元模型的转化通过网格划分得出有限元模型。

3.2.2 边界条件

计算时，对梁的两个端面采取约束。约束X，Y，Z三个方向的自由度，达到全约束的目的，以模拟节点在管轴力的影响下不被破坏的情况。

计算所施加的载荷加载在圆柱管两端，考虑到主要传递轴力，因此只加载上轴力方向的力，极限载荷的大小通过下面的式（5）计算得出：

（5）

其中R为圆管外径，r为圆管内径，为屈服应力，本文中所有的屈服应力都取355MPA。计算出极限载荷后，将其均匀的加载在圆管两端的端面上。如下图：

以406X13为例，该种圆管下，极限载荷为5697890.888N，平均加载到56个节点上，每个节点上受力为101748.05N。

3.3.3 结果及分析

通过Ansys软件，以及上述条件，可以得出一组关于筋板厚度和管柱尺寸变化的结果。

（1）改变筋板厚度

以406X13管为例，这种管柱尺寸下计算了两种种情况，筋板厚度分别为12mm和14mm得出结果。应力云图如下两图所示，计算结果为冯·米塞斯等效应力。

结果可以看出，两个结果的管柱都超过了许用应力355，可以认为破坏，12mm的筋板内部出现一定的破坏区，14mm的筋板完全在355的许用范围内，因此可以认为14mm的筋板在这种情况下是安全的，他的强度大于406X13的管柱的强度。

（2）改变管柱角度

为探究不同角度斜撑对筋板推荐厚度的影响，本文通过改变管柱角度来模拟斜撑，立柱的不同。

以406X13的斜撑，60°为例介绍，边界条件与直立柱相同，在梁的两个端面施加约束，约束X，Y，Z三个方向（全约束）。

通过计算，得出结果，以406X13管柱为例，取筋板为12mm时，结果如下图：

图3.6为60°斜撑的计算结果，对比直立柱的筋板计算结果，可以看出，在斜管的情况下，筋板的受力情况明显好于直立柱的情况。这个现象也验证了板主要作用吸收面内及垂向载荷。

所以实际筋板上分配到的载荷小于极限载荷，极限载荷的水平分量被腹板所吸收。

综上所述，运用相同的工作，得出一组管柱尺寸与筋板最大合理厚度的关系，见附件。

将这些结果整理后，得到管柱尺寸与筋板最大合理厚度的表格（表3.1）。

四、结论及推荐

对于简单节点，在第三章的结尾处得出了关于壁厚与筋板的表格，里面的筋板为对应管材规格下不宜超过的厚度。但是考虑到筋板所使用的板的材料属性与规范化的要求。低于13mm的钢板一般屈服强度只有235，因此整理表格中的数据，将低于13mm的板厚改为13mm，作为设计使用。

参考文献

[1] 密加筋板结构强度和稳定性的力学性能分析与结构设计_刘彦峰.

[2] 基于代理模型的加筋板结构布局优化设计_张柱国.

[3] Release 11.0 Documentation for ANSYS.

[4] Specification for Structural Steel Buildings.

[5] 加筋板极限强度计算与分析_李波.