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容器液柱静压力的施加

14已有 259 次阅读  2014-03-16 21:38   标签表面效应单元 
        根据GB150.1-2011的规定,设计时应考虑≥5%设计压力的液柱静压力,液柱静压力的施加对于容器的支座支撑区的应力分布有着至关重要的影响,也是必须要考虑的载荷。
       本文主要探讨通过表面效应单元施加液柱静压力的方法。
        ANSYS软件提供了多种表面效应单元,包括热表面效应单元SURF151(2D)、SURF152(3D),结构表面效应单元SURF153(2D)、SURF154(3D),三维线载荷表面效应单元SURF156等。表面效应单元像皮肤一样覆盖在网格表面,创建过程:选择相应表面上的所有节点-->激活恰当的单元类型-->执行ESURF。
        其中SURF154单元在压力容器中有限元计算应用较多,SURF154单元可附着在三维壳单元或实体单元表层,同一单元表层可附着一层或多层表面效应单元。SURF154具有5个加载表面,使用不同的单元面号来区分不同的面载荷,用SFE命令中的LKEY参数指定,SFE,ELEM,LKEY,PRES,,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4。通过选择加载面和加载方式,可以实现对壳体表面施加所有方向压力。
         单元面号1:沿 -z 法线方向施加压力;
         单元面号2,3:沿+x和+y施加切向压力;
         单元面号4:施加线性变化的法向压力。载荷=PI+XPJ+YPK+ZPL,PI~PL由VAL1~VAL4 值指定(SFE命令);X,Y, Z是单元积分 点的总体直角坐标。PJ,PK,PL分别是总体坐标中的斜率,如缺省均为PI ;作用在单元上的正值 (沿单元坐标的Z 轴方向)。例如, 施加沿X方向、大小从200到1000的线性变化的压力,作用范围 在X 轴上的0到4.斜率PJ=  (1000-200)/4=200,PK=PL=0,PI是在X=0处的值,PI = 200,对应的命令为sfe,eflat,4,pres,,200,200,0,0。
         单元面号5:与表面成某个角度加载。

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         在使用SURF154单元时,还要进行必要的选项设置。
         KEYOPT(2) :按坐标系施加压力 faces 1, 2和 3,0--按照单元坐标系;  1--按照局部坐标系。  
         KEYOPT(4) :中节点: 0 --有 (和附近的实体单元匹配) ;1 --无。根据体单元节点性质,即有无中间节点,在表面效应单元的属性框中的KEYOPT (4)中选择表面效应单元有无中间节点。 
         KEYOPT(6) :只对法线方向压力有效(faces 1 and 4): 0 --使用压力计算 (正负都用于计算);1--只使用正压力(负值设为0) ; 2--只使用负压力(正值设为0) 。 注意如果用 KEYOPT(6), 则KEYOPT(2)必须等于0。         
         KEYOPT(11) :按照矢量方向加载(face 5): 0 --在投影平面,包含切向分量; 1 --在投影平面,不包含切向分量; 2 --在整   个平面,包含切向分量。 
        KEYOPT(12):单元法线(单元坐标系Z轴)方向对以矢量定向的压力的影响: 0 --压力载荷加载与单元法线方向无关;1 --如果单元法线方向和压力矢量方向相同,则压力载荷不被使用。 
        以立式容器为例,以容器轴线为Y轴建立模型并分网,选择容器承受液柱静压力部分的内表面,在总体坐标系下生成表面效应单元,使用单元坐标系KEYOPT(2)=0,LKEY=4,施加载荷的命令为(sfe,ALL,4,pres,,0,,ρ*9.81/1E6,0),ρ为介质密度,单位KG/M3
        对圆柱体外表面施加周向载荷时,使用单元坐标系KEYOPT(2)=0,建局部柱坐标系使Y轴为圆柱体周向,Z轴为圆柱体轴线,然后旋转单元坐标系至局部柱坐标系,旋转坐标系的命令:EMODIF,all,ESYS,11,施加载荷,LKEY=2。也可使用局部坐标系KEYOPT(2)=1,建局部柱坐标系使Y轴为圆柱体周向,Z轴为圆柱体轴线,直接施加载荷,在局部坐标系下划分表面效应单元,LKEY=2。
        球冠加载风压可以参考文献《表面效应单元在压力容器分析设计中的应用》,作者唐辉永。 
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