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

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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.