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基于CATIA软件对一种夹套传热式配料罐筒体进行仿真与分析

时间:2016-11-17     作者:配料罐【转载】   来自:配料罐   阅读

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基于 CATIA 软件对一种夹套 传热式配料罐筒体进行仿真与分析 李晶 长春理工大学机电工程学院 吉林长春 130022 杜锋 长春工程学院机械工程系 吉林长春 130017 肖富阳 长春理工大学机电工程学院 吉林长春 130022 学术论丛 摘要:本文利用 CATIA 软件对一种典型夹套传热式配料 罐的筒体进行了三维实体建模和有限元分析。对配料罐筒体 模型在承受一定内压条件下的最优厚度进行了分析设计、并 进行了外压压力载荷下的分析校核。通过对配料罐筒体的优 化设计与校核,一定程度上提高了配料罐的设计与使用运行 的可靠性和经济性,为计算机辅助设计压力容器提供一定参 考。 关键词:配料罐 CATIA 仿真与分析设计 前言 压力容器作为关系国民经济建设的重要设备,一直受到 广大设计人员和应用工作者的关注与研究探索。特别是关于 压力容器的可靠性设计和最优设计问题。一直以来,压力容器 及其部件的设计大多采用以弹性失效准则为基础,材料的许 用应力采用较大的安全系数来保证。该方法不能将容器壁厚 对容器安全性与经济性的影响加以综合考虑,像局部应力、边 缘应力等产生的容器失效形式通常未能给予讨论。随着计算 机软件的开发与完善,计算机辅助设计压力容器成为一种趋 势而逐渐获得广泛关注。 众所周知,CATIA 软件在航天、航空、汽车、船舶等一些高 端领域制造技术中得到了广泛的应用并取得了显著的效果。 其具有模块功能强大,工作模式转换灵活,设计手段丰富简捷 等特点。而将 CATIA 软件引入压力容器设计中,可以直接或 间接借鉴 CATIA 软件的先进成熟技术。本文应用 CATIA 软件 对化工染料生产中典型配料罐搅拌容器的主要受力部件筒体 进行三维建模和应力应变分析,为计算机辅助设计搅拌容器 提供一定借鉴价值。 1、设计背景 该夹套传热式配料罐的设计参数为:容器内、夹套内压力 分别为 0.5MPa 和 0.6MPa;容器内、夹套内温度分别为 800℃ 和 1200℃;全容积 1.2m3 ;介质为染料。根据设计参数,本文采 用 CATIA 软件对配料罐的主要部件筒体,在分别承受内压、 外压作用下的应力、应变的变化进行分析,从而对配料罐的结 构进行计算机辅助设计和校核。 2. 建立筒体模型 配料罐罐体为立式,由圆筒和上、下封头组成,提供物料 混合的空间。其容积由生产能力或产品的化学反应要求决定。 储罐壳体同时承受内部介质压力和夹套压力,须分别按内、外 压力单独作用时的情况考虑,分别计算其强度和稳定性。 考虑到配料罐介质为染料,故采用压力容器常用碳锰钢 耐腐蚀材料 16MnR。已知设计温度 120℃,该材料的许用应力 。 确定其结构后,所给容器全容积由以下公式[8],得出罐体 筒体的直径和高度。 确定筒体主要尺寸后根据压力容器强度计算公式[12]: 式中 δ 为计算厚度,pc 为计算压力,[δ]t 为材料许用应 力,Φ 为焊接系数(取 0.8)。 得出其筒体壁的计算厚度,通过 CATIA 软件进行三维建 模,并进行网格划分,同时对模型附加材料属性,主要有材料 密度,杨氏模量,泊松比,屈服强度等。 3. 筒体受内压有限元分析 将所建立模型导入 CATIA 创成式分析模块工作台进行 有限元网格划分后,导入 CATIA 有限元静态分析模块,在筒 体内表面加载 0.5MPa,在外表面加载固定约束之后进行静态 分析计算[9-10],得到应力应变分析结果。对其分析发现,筒体 21 “创世之初,天地混沌(茫昧)无形(亡章),风雨大水,伏羲 娶(华胥)之子女娲,生四子,协助禹和契平水土…” 这里我们可以看到伏羲娶女娲,生子共同创世。经考证, 这一文献的成书年代在战国中晚期,那么我们就可以认为此 时楚地已经流传了伏羲女娲创世的神话了,也就是在先秦时 期,伏羲女娲已经成为了对偶神。因此,我们从以上材料可以 分析得到,伏羲女娲成为对偶神的时间或者可以提前到战国 时期,而伏羲女娲和兄妹婚发生粘连的时间却较晚,大约在晋 隋之际,换句话说,我们可以得出结论,伏羲女娲成为夫妻的 时间要早于兄妹,而且一开始是以人首蛇身的形象出现,。 钟敬文、谷野典之、王孝廉等一批学者力图研究伏羲女娲 与两兄妹的关系。他们普遍认为,最早时期,伏羲和女娲都是 以独立大神的形象出现,并且有着自己的活动范围,随着时间 的推移,或是部落的迁移融合,或者是父系母系社会的转变, 使将两位大神逐渐产生对偶的关系。钟敬文先生于 1978 年所 写的《马王维汉墓帛画的神话史意义》中提到:“伏羲大概是渔 猎时期部落酋长形象的反映,而女娲却是初期农业阶段女族 长形象的反映,他们的神话原来各自流传着,到民族大融合以 后,才或速或迟的被撮合在一起,他们被说成为相接续的人 皇,被说成为兄妹,被说成为夫妇(关于兄妹和夫妇的说法,可 能是跟别的部落的原始神话有关)③那么就上述问题,笔者提 出自己的一些见解: 首先,笔者认为,随着社会的发展,人们逐渐由杂乱的婚 媾,而变成了稳定的夫妻关系,这也体现了由母系氏族向父系 氏族过渡的一种婚姻状态,在前面的资料中我们看到了伏羲 已经开始改革婚姻制度,“始制嫁娶,以俪皮为礼”,那么既然 婚姻制度出现了改变,人们心里需要一个被推奉的英雄人物 作为这种变革的先驱力量。那么伏羲女娲这两位具有半人半 神性质且具有通天力量的人物,就符合了人们的心理,所以人 们将两位独立的大神粘合在一起,作为对偶神来加以敬奉,这 里符合人们的一种心理需要以及先民的原始信仰。 其次,他们作为兄妹而婚,但是我们却看到了他们是在洪 水之后,人类灭绝,只有兄妹二人幸存,为繁衍人类而通过占 卜不得结婚。他们出现是以蛇交尾而出现的形象,学者认为这 是一种族内婚状态,而兄妹意识到兄妹不得结婚,确乎可以理 解这时人们已经走入了族外婚的意识。 其三,伏羲女娲形象在汉代石像上是以人首蛇身的形象 出现,蛇形象在上古神话出现的很频繁,在先民心目中,蛇具 有生殖和祈雨的功能,蛇崇拜是为了土地丰收,那么两蛇交尾 就更意味着生殖,而在自然宗教里,一直以来都存在以生殖行 为来乞求土地丰收的巫术祭祀活动,那么伏羲女娲的交尾图 更体现了农耕祭祀的巫术活动,这也体现了此时社会已经进 入了农耕时代,人们通过两位具有非凡能力的大神的结合,通 过这种人神合一,祈求一种风调雨顺,由他们带来土地丰收, 国泰民安。 注释: ①黄永武《敦煌宝藏》,新文丰出版公司,1986 年。 ②郭峰《敦煌写本<天地开辟以来帝王纪>成书年代诸问 题》,《敦煌学辑刊》1988 年 1、2 合刊。 ③《钟敬文民间文学论集》,上海文艺出版社,1982 年,上 海。 参考文献: [1]袁珂校译《山海经校译》,上海古籍出版社,1985 年版。 [2]袁珂、周明编著《中国神话资料萃编》,四川省社会科学 院,1985 年版。 [3]钟敬文著《马王堆汉墓帛画的神话史意义》,中华文史 论业,1979 年第二期。 [4]闻一多著《神话研究·伏羲考》,巴蜀书社,2002 年 12 月版,成都。 [5]张振犁著《中原古典神话流变论考》,上海文化出版社, 1991 年。 [6]【英】爱德华·泰勒著《原始文化》,上海文艺出版社, 1992 年版。 学术论丛 受内压时在边缘出现应力集中现象,即所谓的边缘应力。之后 按压力容器尺寸系列改变筒体强度尺寸即筒体厚度进行再计 算,直到其边缘应力最大值小于并接近于计算压力,得出最优 化筒体结构尺寸。通过分析得出,当筒体厚度为 8mm 时满足 内压条件,其应力应变结果云图如图 1、图 2 所示。 4. 筒体受外压有限元分析 由于配料罐为夹套传热式,并且夹套内压力为 0.6MPa, 大于筒体所受内压 0.5MPa,故而必须对筒体受外压时的应力 应变进行分析校核,使得外压单独作用时的最大应力不超过 材料的许用应力。将网格筒体模型导入 CATIA 有限元静态分 析模块,在外表面加载 0.6MPa 的外压即每平方米上的力,得 到应力应变结果如图 3、图 4 所示。根据结果对筒体应力应变 进行分析。经分析发现,筒体在其边缘处应力较为集中,并且 在筒体设计强度下受外压作用时的最大应力远远小于其材料 的许用应力,故其强度设计合理并能确保其容器的安全性,从 而达到筒体校核的目的。 5、结论 本文采用 CATIA 软件对一种夹套传热式配料罐的主要 结构筒体受内压和外压作用下的应力应变进行了建模仿真和 分析,从而辅助其快速设计和优化校核。相比于传统的常规设 计,此种设计校核方法在应力集中和边缘应力分析上较为有 效,可以避免常规设计中为保证安全性而增加强度、浪费材料 等问题,并且实现了人机交互,减少了许多繁琐的计算。 参考文献: [1]朱瑞林.未来压力容器技术发展探讨[J].化工设备与管 道,1995,1,26-29. [2]方长青.大型压力储罐的优化设计[J].化工生产与技术, 1995,3,8-10. [3]毕庶力,孙景全.一种压力容器设计的优化方法[J].石油 化工设备,2006,35(35):55-58. [4]陈江,赵文纯,鞠海洪.基于 CATIA 的半实物仿真用液压 釜的设计与研究[J].机械设计,2012,29(3):53-55. [5]秦增伟.基于 ANSYS 冷高压分离器结构优化设计[J].化 工装备技术.2010,31(2):23-25. [6]巫影,胡大斌,刘金林.CATIA 环境下船舶机舱虚拟环境 的构建[J].武汉理工大学学报.2007,29(5):101-103. [7]郑津洋,董其伍,桑芝富等.过程设备设计[M].北京:化学 工业出版社,2005. [8]GB150-89,钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社, 1998. [9]龚曙光.ANSYS 在应力分析设计中的应用[J].化工装备 技术.2002,23(1):29-33. [10]洪德晓.有限元在压力容器应力分析设计中的应用讨 论[J].化工设备与管道,2006,42(4):1-6.

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