ANSYS可靠性分析

1基于有限元的塔设备裙座支撑区可靠性分析***,***（…………，………………）摘要：通过ANSYS的PDS可靠度概率分析模块，，采用概率分析的蒙特卡罗方法，对塔设备裙座支撑区的可靠性进行有限元分析，并基于计算结果对该塔设备裙座支撑区的可靠性及参数敏感性进行分析和评价，分析结果表明，可靠性设计可在确保结构达到规定的可靠性指标下，同时保证设计的经济性，ANSYS的灵敏度分析功能为可靠性设计提供参考依据。关键词：塔设备裙座支撑区强度,ANSYS,可靠性分析ReliabilityAnalysisoftheTowerSkirtSupportAreaBasedonFEMMethod***,***（…………，………………）Abstract:BothanalyticalmoduleofPDS(probabilisticdesignsystem)inANSYSandtheresponseMonteCarloofprobabilisticanalysiswereemployedtocalculatethereliabilityoftowerskirtsupport,andaccordingtothecalculationresults,evaluatedthetowerequipmentskirtsupportarea'sreliabilityanditsparameterssensitivity,Theanalyticalresultsshowthatthereliabilitydesigncanensurestructurereliabilityandeconomicalefficiencyasrequired,andsensitivityanalysisinANSYScanprovidereferencesforthereliabilitydesign．Keywords:intensityoftowerskirtsupport，ANSYS，PDS，引言目前，设备的设计有两种可供选择的方法：一是传统设计法，假设各设计变量为确定量，依据给定的安全系数进行设计；二是可靠性设计法，假定设计变量为随机变量，依据可靠度或失效概率进行设计，称为概率设计，它可把设计中大量的未知因素及参数的变化表达出来，弥补了传统的统计方法的不足。加氢反应器是机械产品加工中的关键设备，在下封头处通常采用h型锻件。h型锻件上部连接筒体，下部连接封头及裙座。h型锻件的三个基本厚度一般设计为分别等同于简体、封头及裙座的厚度。虽然加氢反应器按分析设计标准设计，但由于制造工艺的限制，材料属性、加工公差、边界条件和载荷等总具有不确定性。同时加氢反应器主体所承受的压力较高，裙座与加氢反应器主体连接势必存在边缘应力，而且在一定的压力范围内，这种边缘应力会很大，因此有必要对其进行失效概率分析1ANSYS的可靠性分析模块ANSYS的PDS(ProbabilisticDesignSystem)模块就是将有限元技术与概率设计技术相结合，即基于有限元的概率设计。ANSYS的PDS有限元分析模块中的几乎所有参数都具有一定程度的随机基于有限元的塔设备裙座支撑区可靠性分析2性，不但能给出比较准确的失效概率值，还可以给出结构改进方案的参数敏感性分析结果。并且PDS模块的概率敏感性分析可将随机输入变量分为对随机输出变量有显著影响的和相对影响不大的两组变量，由此可以在设计、生产时严格控制引起失效的主要影响因素。2问题描述现有一台年产60万吨汽柴油加氢精制反应器，其下封头与裙座连接图形如图1所示，下封头处采用h型锻件，材料为锻钢2.25Cr-1Mo，材料的弹性模量ex1为1.75E5，泊松比prxy1为0.3，其设计条件如表1所示。设计温度下许用机械应力强度S=190MPa。假定最大应力超过其许用应力判为失效，试确定该结构的失效概率，取初值极限状态z为0。图1h型锻件结构图(左)和下封头与裙座连接图(右)表1设计变量表变量名称变量符号分布类型均值标准差工作压力P正态分布8.83MPa0.6筒体内半径R1均匀分布1403mm1410筒体壁厚t1正态分布87mm0.35球封头内半径R2均匀分布1420mm1428封头壁厚t2正态分布52mm0.3群座壁厚t3正态分布22mm0.2过渡圆角半径r正态分布20mm0.18锻造高度H正态分布568mm3材料屈服强度yies正态分布190MPa123分析说明由于主要讨论h型锻件连接区的应力分布规律，忽略了下封头的开孔接管。载荷及约束见图1(右)，其中，筒体端部以面力P1模拟封闭筒体受力情况。根据结构确定机械应力计算模型采用轴对称模型，其中与h型锻件连接的筒体及裙座的长度足够长，远大于2.5倍的边缘应力衰减长度。根据材料力学知识，对结构进行受力分析，则其端部面力P1计算如下：21122111()PRPRtR假设压力容器在使用过程中，不允许应力超过屈服强度的事件发生，否则，认为失效。失效准则为：3maxs式中，max为压力容器使用过程中按第三强度理论计算得到的最大等效应力，MPa；s为材料的屈服强度，MPa。极限状态函数为：max()sZx()0Zx为失效状态，求容器的可靠性就是求()0Zx的概率。图1有限元模型有限模型如图1所示，其初始化设计变量参数见表1，单元类型为PLANE82，分析方法为M.C方法，抽样次数为50000次。通过APDL参数化编程就可计算求解，并得出相应结论。4可靠性分析结果4.1结果分析查看Z小于0、置信度为95%时的概率，得到如下结果：该结果表明在置信度为95%的情形下，Z0的概率平均为3.76008%，即说明容器的可靠度为基于有限元的塔设备裙座支撑区可靠性分析496.24%。4.2抽样过程显示MAXSTR抽样过程显示见图2。由图可以看出，输出变量MAXSTR的平均值收敛，表明模拟次数已经足够。4.3输出变量MAXSTR灵敏度分析绘制输出变量MAXSTR灵敏度分析图如图3所示，其中，输入参数对输出参数影响水平在2.5%以下的归为相对影响不大的因素；影响水平在2.5%以上的归为有显著影响的因素。从图中可以看出P、T2、R2对结果的影响比较大，其余各参数影响甚小，可以认为是常数值。图2MAXSTR抽样过程显示图3MAXSTR灵敏度度分析图图4Z在置信度95%的情形下分布图图5MAXSTR在置信度95%的情形下分布图图6MAXSTR取值分布柱状图图7P取值分布柱状图54.4绘制P取值分布柱状图由灵敏度的分析可知，P是影响失效的最主要原因，因此绘制P取值分布柱状图如图7。通过其柱状图可见，柱状图靠近分布函数曲线，且不存在较大的间隙和跳跃，这也表明模拟次数足够。5结论以弹性力学为基础，以概率论和数理统计理论建立的可靠性分析理论，通ANSYS可靠度数值模拟，可以得出如下结论:在设计状态下，由于输入参数和假设的不确定性，容易导致其可靠性降低，影响最大的因素是工作压力和封头壁厚，以及球封头内半径。在设计过程中，需要重点监控这三个因素。以概率和数理统计理论为基础的压力容器可靠性分析与传统方法相比，计算评价结果更加全面、科学。计算所得的压力容器可靠度结果具有较高的可信度，为科学、全面地进行压力容器分析、设计提供了一定的计算依据。参考文献[1]许艳玲,张保,彭桐睿.塔设备裙座支撑区可靠性分析[J].现代制造技术与装备,2012,02:50-51.[2]唐勇,贺小华.基于有限元的罐体可靠性分析和设计[J].化工机械,2011,05:546-549.[3]余伟炜,高炳军．ANSYS在机械与化工装备中的应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2007．[4]龚曙光,谢桂兰,黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M]．北京：机械工业出版社，2009基于有限元的塔设备裙座支撑区可靠性分析6附录文件名称RELIABILITY.LOG说明ANSYS裙座可靠性分析命令流FINISH/CLEAR!环境设置/FILN,RELIABILITY/TITLE,RELIABILITYDESIGNOFQUNZUO!定义参数*SET,R1,1406.5!筒体内半径*SET,T1,87!筒体壁厚*SET,R2,1424!球封头内半径*SET,T2,52!球封头壁厚*SET,T3,22!裙座壁厚*SET,R,20!过渡圆角半径*SET,H,568!锻造高度*SET,P,8.83!内压值P1=P*R1*R1/((R1+T1)**2-R1*R1)!端部面力*SET,YIES,190!屈服强度!前处理/PREP7ET,1,PLANE82!定义PLANE82单元KEYOPT,1,3,1!设定轴对称选项MP,EX,1,1.75E5!材料的弹性模量MP,PRXY,1,0.3!材料的泊松比*AFUN,DEG!设定角度单位为度ANGLE=ASIN(H/R2)!构造段角度PCIRC,R2,R2+T2,270,(360-ANGLE)!球封头圆弧段BLC4,R1,0,T1,R1!筒体直线段*GET,XLOC,KP,2,LOC,X!获得关键点2的X坐标（为支撑段矩形角点X坐标）*GET,YLOC,KP,2,LOC,Y!获得关键点2的Y坐标（为支撑段矩形角点Y坐标）BLC4,R1+T1-T3,YLOC,T3,H-R2!裙座支撑段!建立H型锻件K,,XLOC,YLOC+R!以2号关键点X坐标为基，Y坐标+过渡半径R建立关键点K,,R1+T1-T3,YLOC+R!支撑段左角点X坐标为基，Y坐标+过渡半径R建立关键点!找出圆弧与直线过渡段交点ANGLE2=ACOS(R1/R2)!过渡段角度CSYS,1!激活极坐标系K,,R2,-ANGLE2!定义过渡段位置关键点L,3,15!连接过渡圆弧段CSYS,0!激活直角坐标系!连线构成H面L,2,13,11$L,13,14,1$L,14,12,2$L,6,11,5$L,5,15,10LFILLT,14,15,R,,!在14与15两线段建立倒角(H型构件)LFILLT,15,16,R,,!在15与16两线段建立倒角(H型构件)KDELE,13!删除辅助点AL,5,13,15,2,19,14,11,18,17!通过线段定义面AADD,ALL!面叠加7!采用坐标平面化分面NUMMRG,ALL!对各元素重新编号NUMCMP,ALL!对编号压缩KWPAVE,13!将坐标系原点移位于13号关键点WPROT,0,-90,0!将平面按照X轴旋转-90度ASBW,ALL,!采用坐标平面剖分面KWPAVE,2!将坐标系原点移位于2号关键点ASBW,ALL,!采用坐标平面剖分面LCCAT,6,14$LCCAT,4,16$LESIZE,4,10$LESIZE,16,10$LESIZE,6,10LESIZE,14,10$LESIZE,5,,,10$LESIZE,17,,,10$LESIZE,11,,,100LESIZE,19,,,100$LESIZE,3,,,10$LESIZE,13,,,10!划分网格ASEL,S,AREA,,4,5,1!选择4,5号面(即构造段)ESIZE,10,0!设定单元大小为10MSHAPE,0,2D!采用四边形单元划分网格MSHKEY,0!采用自由网格划分AMESH,ALL!划分面4，5ASEL,ALL!选中所有的面ASEL,U,AREA,,4,5,1!除去4，5号面，即构造段之外面MSHKEY,1AMESH,1$AMESH,2!划分面1,2FINISH!求解模块/SOLU!施加约束NSEL,S,LOC,X,0!选择X坐标为0的节点DSYM,SYMM,X!施加X方向对称约束LSEL,S,LINE,,7!选择编号为7线段（支撑段底端）NSLL,S,1!选中依附在选段上的节点D,ALL,UY,0!将其Y方向位移限制为0!施加载荷!对内壁6，10，14，21，19五条线段上的节点施加压力PLSEL,S,LINE,,6,14,4LSEL,A,LINE,,19,21,2NSLL,S,1!选中依附在选段上的节点SF,ALL,PRES,P!施加均布载荷LSEL,S