一个支撑牛腿设计的前世今生

某项目中的反应器，直径达到7600，设计温度620°C，催化剂支撑梁采用T型梁，经过计算需要80厚650高（计算方法就是昨天的文章）。T型梁间隔800跨中均布。

其中中间的梁跨距最长，且承受的载荷最大。梁用牛腿支撑，牛腿支撑尺寸如下：

其中正中的支撑梁所受的载荷最大，为30吨。每个牛腿所受的载荷为15吨。牛腿侧承载面积（172长*50宽）为8600mm2，其载荷为17.44 MPa。在牛腿正下方，有管口N8。其尺寸为下图所示：

为了核算支撑牛腿的局部载荷以及对N8管口的影响，对此结构进行详细的温度场分析和应力场耦合分析。

在对该结构进行建模时，考虑腐蚀裕量1mm。在进行网格划分时，采用六面体网格，不断对网格进行细化，直至结构求解的应力基本保持不变。热单元采用了Solid90单元，在进行热-结构耦合分析时采用了三维高阶单元Solid186单元。

整体结构三维模型

局部结构三维模型

整体结构网格划分

局部结构网格划分

在反应器的内壁施加固定温度580℃；在反应器外壁施加等效对流换热系数0.90 W/(m2·℃)，环境温度设置为20℃；N8接管的套筒进入介质的温度为20℃，详细的温度边界条件施加如图

温度场求解的边界条件

整体温度场分布云图

接管N8带保温材料的温度场分布云图

接管N8温度场分布云图

在进行热-机械载荷耦合分析时，先读入温度场计算结果，然后删除保温材料和内衬接管，最后再进行机械载荷的设置，机械载荷条件为：①在设备内表面施加均布内压0.35MPa；②在XY平面分别施加对称约束；③在筒体下表面施加Z方向位移约束为0；④在筒体上表面施加等效载荷，24.83MPa；⑤在N8接管端面施加等效载荷，1.82Mpa；⑥在牛腿上的支承面上施加均布载荷，载荷值为： 17.44+0.35=17.79MPa。

载荷与边界条件

载荷与边界条件（局部放大）

下图分别给出了结构等效应力分布云图，从图中可以看出结构的最大等效应力发生在牛腿与壳体连接的区域，且最大值为148.094 MPa；N8接管的最大等效应力为123.142 MPa，发生在接管的根部。

整体结构等效应力分布云图

牛腿等效应力分布云图

N8接管等效应力分布云图

评定路径：

牛腿路径位置示意图

接管路径位置示意图

牛腿与接管中间位置示意图

通过有限元对牛腿结构进行了热-机械载荷耦合分析，结果发现牛腿下部的支撑结构与壳体连接区域的应力值较大（路径3），并沿最大点通过壳体厚度方向进行应力线性化，发现应力强度无法满足JB4732-1995(2005年确认）强度要求；支撑梁的板中间（线性化路径6）的弯曲应力按照一次弯曲应力评定也无法通过强度评定。

优化：

鉴于牛腿下部筋板最下端与筒体连接处的应力值最大，所以希望通过加长筋板使得计算通过。支撑梁的板应力过大，所以将其厚度36改为40mm。

最大应力由原来的148MPa降低到120MPa。

牛腿等效应力分布图

通过计算，评定合格。

在设计之初，牛腿改过多个版本：

1. 首先根据载荷，按照材料力学的方法计算其牛腿的主要尺寸。根据载荷计算牛腿给设备的局部应力，然后用WRC107矩形附件模块核算。以此确定大致厚度是否合适。

2. 最初是普通的一块平板，2个筋板，如同倒放的耳座。经过分析计算，无论怎么评定，都无法通过。

3. 后来通过调整筋板形状，增加上筋板，获得牛腿的结果。

4. 由于N8距离筋板较近，为了综合评估牛腿对于管口N8的影响，所以与N8管口一起建模计算。

5. 机械场计算合格后，由于N8口有内部保温结构，所以还计算一下温度场。经过计算，与机械载荷的应力对比，对牛腿影响较小，对管口有一定的影响，应力有稍许上升。

6. 由于评定不通过，不断调整筋板长度，牛腿平板厚度，与接管N8距离，使得计算通过，达到一个比较合理的结果。经过调整，有稍许经验，即筋板尽可能的缓慢的延伸到筒体壁上，使得筒体的局部不发生大的突变，降低局部应力，并不是筋板材料越多越好。

7. 为了验证其可靠性，两人分别建模，各自单独计算，得到线性化结果只相差1MPa。可以说比较接近。

对于特殊结构的设计，可以通过传统手段预估算以及分析设计的数值模拟，优化，不同边界条件，多人核算，设计出比较合理的结构。

完成设计后，我只想唱：

没那么简单，就能找到合格的方案，尤其是在经过了那么多的修改，总是不安，只好强悍，谁谋杀了我的耐烦~~