Design Explorer塔器使用寿命评价分析
本文介绍WB中一个陌生的分析模块—Design Explorer，估计很多从事压力容器分析设计的朋友都很少用到这个模块，但这个分析模块确又很实用，能够对结构寿命进行评价分析及结构优化分析，谢谢朋友的慷慨与无私，能够将文章分享出来与大家一起学习！
1 几何模型
使用通用结构分析软件ANSYS Workbench多物理场协同CAE仿真软件，建立了有限元实体模型，塔根据直径变化，分为三级，根据塔的对称性，可仅对结构的二分之一进行建模。
根据塔的几何模型，建立了有限元模型，采用20节点的186单元对有限元实体模型并进行单元网格划分，并使用扫掠为主的网格划分方法，获得了六面体为主的较为理想的有限元网格，单元总数为52592个，节点总数为283819个，如下图所示。
2 材料参数
整体为Q235钢：主体材料的参数设置为，弹性模量E=2E5MPa，泊松比μ=0.3，材料密度为ρ=7.85E-9t/mm3 。考虑塔内部介质及附属部件的影响，按等效密度法将内部介质及附件重量等效到塔体上。考虑到腐蚀的影响，至2011为止，球罐壳体的各节的当前壁厚由下向上，厚度分别取11mm、8.9mm、6.7mm。
3 载荷及约束
3.1地震载荷的计算
3.2 风载荷的计算
3.3 载荷与约束的施加
根据塔结构的对称性，在结构的对称面上施加对称约束塔的内表面施加设计内压；裙座的底部施加全约束。考虑重力、风载荷的影响，由于是对称模型，施加在模型上的水平力为P1的一半，施加在最不利的方向，风向为X向负方向。
考虑重力地震载荷的影响，由3.1节可知，水平向的地震加速度为：
a1=αg
竖直向的地震加速度为：
a2=（1+αvmax)g 其中：g为标准的重力加速度，为9806.6mm/s2。
代入数值，求得a1为400mm/s2， a2为10003mm/s2。
在X向负方向，施加加速度a1；在Y向负方向，施加加速度a2。
载荷与约束如下图所示。
4 有限元应力分析结果
塔的整体应力（第三强度理论计算值，下同）云图如下图（a）所示。最大应力为116.94MPa，出现在塔下节与中间节连接的变径处，塔壳的外表面上，如图（b）所示。下封头的最大应力，出现在下封头与引出管连接部位，下封头的外侧，最大应力值为56.967MPa，如图（c）所示。下节人孔的最大应力，出现在人孔与塔体连接部位的内表面，最大应力值为105.2MPa，如图（d）所示。中间节人孔的最大应力，出现在人孔与塔体连接部位的外表面，最大应力值为102.83MPa，如图4（e）所示。上封头的最大应力，出现在上封头与出气管连接部位，上封头的内侧，最大应力值为44.507MPa，如图4（f）所示。
基于应力分析和应力分类的强度评定中，采用第三强度理论，将路径上的应力分解为薄膜应力、弯曲应力和总体应力，求取应力强度，按照不同的原则进行评定，具体评价结果均满足JB/T4732标准要求，下面采用Design Explorer对塔器整体寿命进行优化分析。
5 塔整体寿命的优化分析
5.1 使用寿命优化分析
利用ANSYS Workbench中的Design Explorer优化模块，对塔进行优化设计分析，估算塔的使用寿命。塔每年的减薄速率为0.1mm/年。定义塔的寿命为设计变量n，塔从下到上，各节塔体壳厚为导出参数a、b、c。
设计变量：使用寿命 n
导出参数：下节塔体壳厚 a=11－n×0.1
中间节塔体壳厚 b=8.9－n×0.1
上节塔体壳厚 c=6.7－n×0.1
利用设计变量和导出参数，建立参数化模型。
由上一节的计算结果表明，最大应力出现在下节塔体与中间节塔体变径处，在此部位，沿厚度方向建立分析路径。将路径上的应力分解为薄膜应力、薄膜应力+弯曲应力、总体应力。Q235钢板，144℃下其许用应力强度Sm=140MPa，评价指标为（K=1.0）：
一次局部薄膜应力：SⅡ≤1.5KSm=210MPa；
一次薄膜应力+一次弯曲应力：SⅢ≤1.5KSm=210MPa；
一次+二次应力：SⅣ≤3.0Sm=420MPa；
由于SⅢ≥SⅡ，因此，只要满足SⅣ和SⅢ评价指标，就可以确定塔的使用寿命。把SⅣ和SⅢ作为目标函数，进行优化设计分析。
DesignExplorer优化模块优化结果如下图所示，由曲线可知，塔的使用寿命为28年。
5.2 优化分析的有限元结果
由5.1节的优化分析结果可知，塔的使用寿命为28年。根据0.1mm/年的减薄速率，计算28年后的有限元应力分析结果。
塔的整体应力云图如下图（a）所示，最大应力为217.23MPa，出现在塔下节与中间节连接的变径处，塔壳的外表面上，如图（b）。下封头的最大应力，出现在下封头与引出管连接部位，下封头的外侧，最大应力值为110.67MPa，如图（c）所示。下节人孔的最大应力，出现在人孔与塔体连接部位的内表面，最大应力值为124.6MPa，如图（d）所示。中间节人孔的最大应力，出现在人孔与塔体连接部位的外表面，最大应力值为131.88MPa，如图（e）所示。上封头的最大应力，出现在上封头与筒体连接部位，上封头的内侧，最大应力值为69.183MPa，如图（f）所示。
由上述28年后的应力分析结果表明：塔体中间节与下节的连接部位在经过28年的使用腐蚀后，一次薄膜应力+一次弯曲应力为207.25MPa，已接近许用应力强度210MPa，继续使用后则会超过许用应力强度而评定不合格，故根据整体优化分析结果表明，此塔的整体使用寿命为28年。
