引言

计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)是用计算机辅助求解复杂工程问题的数值分析方法。CAE从20世纪60年代初开始在工程上应用，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域)必不可少的数值计算工具，在节省产品开发时间和成本、及早发现产品缺陷、避免事故发生以及优化产品结构和性能等方面发挥了重要作用。

北京化工大学计算机辅助机械工程研究中心(以下简称CAE中心)成立于1996年，主要研究方向包括：化工及核电设备的安全分析和结构优化，新型机械设备开发与性能仿真；设备失效与安全保障系统研究，材料与机构疲劳断裂研究。CAE中心是美国ANSYS软件公司在中国的技术支持单位之一，且为ANSYS软件公司设于中国的美国ANSYS公司北京培训中心，中心装有世界著名通用有限元分析最新正版软件ANSYS 25套。本文将介绍CAE中心利用有限元技术所完成的部分重要工程设备或装置的结构设计、强度分析和安全评定。

1 超大型真空容器

本CAE中心针对某超大型真空容器，分析其在设计工况下的强度和稳定性，并提出合理措施以提高该真空容器的抗失稳能力^[1]。

该超大型真空容器是亚洲最大的模拟高原低压环境的真空实验室，直径22 m，总高33.88 m。其中上球冠封头凸向外侧，下球冠封头凸向内侧，圆筒体和封头材料为Q345R钢；设备上开有3个大孔，直径分别为2 700 mm、5 000 mm和6 000 mm，开孔接管材料为Q345R钢。壳体上布有环向槽钢状加强圈，高500 mm，宽200 mm，材料为Q235-B钢；上封头设置辐射筋板，材料为Q235-B钢。该超大型真空容器支撑于基础环上，基础环材料Q235-B钢，由螺栓固定于地基上。由于承受外压、风载荷、地震载荷及吊挂载荷作用，对于22 m直径的真空容器，如果不采用加强结构，壁厚将非常大。为减轻重量和制造成本，在壳体外设置了大量加强筋，设备结构非常复杂；同时因承受多种载荷作用，常规设计无法进行精确的强度计算。为此，采用有限元法进行数值模拟，依据JB4732—95《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度校核，并进行稳定性分析。图 1为该设备有限元网格模型^[2]。

通过强度和稳定性分析确定了筒体、封头和各加强筋的强度尺寸，并且发现外压失稳发生在上封头上，但安全系数低于用户要求。为此，对上封头的加强筋结构进行重新设计，最终使非线性失稳安全系数达到7以上，满足了用户的特殊要求。图 2为下封头与筒体连接处应力强度分布云图。目前该大型真空容器已经运行10年，这表明采用数值模拟方法对超大型真空容器进行结构设计和强度与稳定性分析是行之有效的。

2 聚丙烯环管反应器

聚丙烯环管反应器是聚丙烯装置中的关键设备，由多个U型环状内筒及外夹套组成，夹套之间采用钢结构连接，图 3为某聚丙烯环管反应器结构实物图。本CAE中心对某聚丙烯改扩建工程中聚丙烯环管反应器进行强度和稳定性设计^[3]。该环管反应器的主要部件是两套U型环状内筒，内筒内径为578 mm，高约45 m；除顶部和底部外，内筒外设夹套，夹套内径为690 mm；夹套上下端用封板和筋板与内筒连接，中间用连接梁顶筋和基础支撑块与内筒相隔；夹套上设有U型波纹管膨胀节，以降低内筒与夹套间的温差应力；各夹套之间用工字钢连接，形成多层平台，以增加整套装置的稳定性；夹套与水泥基础之间由位于夹套中下部的筋板、基础板及地脚螺栓连接，由此固定整套反应装置。反应液依赖轴流泵动力在内筒循环，轴流泵的轴直接从内筒底部U型弯管处插入，轴的外端与电机相连，电机及其配套装置安放在弹簧支撑板上。

该设备承受内压、外压、重量载荷、风载荷、地震载荷和温度载荷作用。由于设备结构复杂，同时又承受多种载荷作用，常规设计无法进行精确强度计算。为此，采用有限元法进行数值模拟，对6种载荷组合工况下的聚丙烯环管反应器进行了强度分析、轴向稳定性分析和地震频谱分析，在此基础上确定了设备的主要强度尺寸，并对结构进行了改进。图 4为聚丙烯环管反应器整体中面应力强度分布云图。目前该反应器已正常运行15年，所以采用有限元法能有效进行聚丙烯环管反应器的整体结构设计和强度、稳定性分析。

3 大型连续式跨声速风洞洞体

风洞是在一个管道内用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力试验的一种管道设备，是空气动力学和飞行器研制领域的基础设施。由于建造风洞所要求的技术水平很高，目前世界上只有少数科技发达国家具备建造风洞的能力。随着飞机、导弹、航天飞行器的不断发展，各国对风洞试验设备的需求日益增长，风洞的规划、研究和建设呈现出新的发展局面。

由于大型的风洞设备结构复杂、建设周期长以及投入成本高，所以必须保证风洞的正常运行并尽可能延长风洞的使用年限，从而对风洞结构的合理化设计、规范制造和检修维护提出了较高的要求。我们针对某大型连续式跨声速风洞的主体结构进行数值模拟和分析设计，弥补常规设计的不足，以保证设备在预期使用期限内的安全运行^[4]。

该大型连续式跨声速风洞是目前亚洲最大的同类风洞，主体结构由驻室段、再入段、亚音速扩散段(以下简称亚扩散段)、第一拐角段-第二拐角段、换热器段、第三拐角段-第四拐角段及稳定段共7部段组成。风洞主体为矩形回路结构，占地总长度约103.8 m，宽度约43 m，驻室段直径12 m。风洞洞体共有大小支座15对，包括固定支座和滑动支座。

要完成的内容包括内压作用下的强度评定、交变载荷作用下的疲劳设计、外压下的稳定性分析及内压与地震共同作用的强度分析。图 5为风洞有限元网格模型，图 6为内压和地震载荷作用下的风洞整体结构应力强度分布云图^[5]。在分析进行过程中，还根据计算结果对原设计的风洞洞体部分结构进行了改进。目前该大型连续式跨声速风洞已建造完成，这表明虽然大型风洞结构复杂，但对其进行整体数值模拟和强度评定是可行的和有效的。

4 低温甲醇洗塔及放空筒组合装置

本节介绍CAE中心针对低温甲醇洗塔及放空筒组合装置进行的强度和稳定性计算^[6]。

在结构上，低温甲醇洗塔及放空筒组合装置分为低温甲醇洗涤塔和放空筒及支撑两大部分。放空筒是一个细高圆筒，内径为1 792 mm，总高101 m，裙座高28 m。为了提高其稳定性和抵抗风载荷、地震载荷的能力，并节约装置所占场地面积，由塔体上的支架将放空筒与甲醇洗涤塔连接在一起，放空筒与支架的四面槽钢间都留有2 mm间隙。低温甲醇洗涤塔塔体内径4 700 mm，柱壳总高86 300 mm；塔裙座内径4 738 mm，高8 000 mm。

该设备承受内压、重量载荷、风载荷和地震载荷作用。由于设备组合后结构复杂，同时又承受多种载荷作用，常规设计无法进行精确强度计算。为此，采用有限元法进行数值模拟，对各种组合工况下的低温甲醇洗塔及放空筒组合装置进行了应力、变形分析和强度、稳定性校核，计算得到临界风速，确定了设备的主要强度尺寸，并对连接支架进行了结构设计，包括支架数量和大小。图 7为组合装置有限元几何模型及操作内压作用示意图，图 8为操作工况下(0.25×风载荷+地震载荷+操作内压+操作液柱静压力+自重)连接支架上膜加弯应力强度分布云图。目前该低温甲醇洗塔及放空筒组合装置已使用5年，表明我们的工作对类似结构分析具有示范作用。

5 核电一级冷凝器

一级冷凝器属于铀转化安全一级设备，主要由管板、壳体、U型换热管及分配器等零部件组成。我们对某一级冷凝器进行抗震安全分析。该一级冷凝器直径为1 800 mm，长为7 860 mm。应用有限元法进行分析，地震设防烈度为8度，采用时程分析，载荷工况分为设计工况、异常工况和事故工况。鉴于我国目前尚未建立专用于核燃料处理设备的设计和建造标准，这里主要参考法国RCC-M标准和中华人民共和国行业标准JB4732—95《钢制压力容器——分析设计标准》两个标准进行分析。考察3种工况下一级冷凝器中的最大应力和最大位移，分析结果必须分别满足与3种工况相对应的O、B和D 3种级别安全准则规定的安全判据。

通过计算最终确定了各零部件强度尺寸，图 9为一级冷凝器整体结构有限元网格模型，图 10为异常工况下13.72 s时一级冷凝器整体结构一次薄膜加弯曲应力强度分布云图。该一级冷凝器抗震分析的完成为核电设备进行地震时程分析和安全评定提供了借鉴。

6 大型火电机组回热系统高压加热器

高压加热器是利用汽轮机的部分抽气对给水进行加热的装置，主要应用于大型火电机组回热系统。本节主要介绍CAE中心针对高压加热器进行的应力分析、强度评定和轻量化设计。

高压加热器是典型的高压换热设备，管程设计压力38 MPa，壳程设计压力6.35 MPa，由壳程壳体、管程封头、管板、换热管、固定支座和活动支座几部分组成。管箱侧圆球形封头内直径为1 400 mm，壳程侧筒节、筒身、椭圆封头内直径为1 500 mm，管板厚440 mm，壳程侧筒身长9 500 mm，主体材料为Q345R、20MnMoⅢ及16MnⅡ。

为分析在管程或壳程载荷作用下高压加热器的强度并确定强度尺寸，建立高压加热器三维有限元模型如图 11所示。分析了载荷作用下加热器壳体中应力强度大小和分布，并依据JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行强度评定和轻量化设计，最终确定了各零部件强度尺寸，图 12为高压加热器球形封头及接管中的应力强度分布云图。在该高压加热器分析完成后，CAE中心又陆续承接了多台类似结构的设计与分析项目。

7 结束语

CAE是利用计算机辅助求解复杂工程问题的先进技术，北京化工大学CAE中心自成立以来，发挥数值模拟尤其是压力容器分析设计的技术优势，致力于解决企业关键设备与装置安全技术问题，承担了许多企业工程课题，为保证生产装置安全高效运行和企业发展做出了贡献。

团队简介

北京化工大学计算机辅助机械工程研究中心(CAE中心)成立于1996年，现有教师7名，其中教授2名，负责人是博士生导师钱才富教授。研究方向包括承压设备性能强化和结构完整性、新型机械设备开发与性能仿真、材料疲劳断裂研究等。该中心是美国ANSYS公司北京培训中心。

CAE中心先后承担了国家科技支撑项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中石化等百余项纵、横向课题，为包括石油化工、核电等在内的众多行业和企业解决了许多关键技术难题；在人才培养方面，目前已培养毕业博士20名、硕士百余名；所开发的多功能综合实验装置已被全国62家高校采用；以CAE中心教师为主，取得了国家级教学成果二等奖1项、北京市教育教学成果一等奖2项。