撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，包括以下步驟：1）根據撬裝化工廠框架結構設計圖，初步確定決定吊裝點在坐標系OXYZ中位置的設計參數；2）利用ANSYS軟件對撬裝化工廠框架進行模型簡化；3）根據經驗設計方案初步確定變量的數值，并進行靜態分析；4）根據最大變形量或最大應力對變量數值的靈敏度縮減優化區間并得出四組設計方案，確定優化目標，并將上述一組設計方案中優化目標最小的作為初始優化設計方案；5）采用坐標輪換法優化確定撬裝化工廠框架吊裝點，最終得到撬裝化工廠框架吊裝點位置。利用本發明方法設計吊裝點位置，比傳統的經驗法確定的位置，最大變形量和最大應力分別減少了10%左右。
【專利說明】撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種框架吊裝點最優位置的確定方法，尤其涉及一種撬裝化工廠框架吊裝點位置的計算及布置。
【背景技術】
[0002]隨著化工廠的改進升級，化工廠設計出現了一種撬裝化趨勢，撬裝化是將一些設備或者閥門，集成在一個類似集裝箱的框架結構上，這樣使原本在化工廠工地的工作量轉移到了車間，大大加快了化工廠的建設進程，并且在車間制作撬裝也保證了產品質量。撬裝框架吊裝點位置不僅影響吊裝時框架的平穩性，而且影響框架的撓度變化，因此吊裝點位置的計算顯得尤為重要。吊裝時，框架的變形過大，不僅會改變框架上的質量分布，造成吊裝時出現傾斜、晃動，影響吊裝的平穩性，而且甚至會導致焊縫開裂，損害框架上的設備。另外吊裝點選擇不合適也無法充分發揮材料的力學性能，導致框架尺寸和質量增加，進而增加了成本。傳統吊裝點位置多根據經驗對稱分布，缺乏理論計算，往往依靠增大材料尺寸彌補，不利于輕量化和最優化設計。化工廠撬裝化趨勢已日趨明顯，撬裝化工廠將日益增多，為了更好的運輸和轉移這種化工廠，利用傳統的依據經驗設計吊裝點位置已無法滿足實際的應用需求，而且往往會因為吊裝時變形和應力過大，造成吊裝的劇烈晃動和傾斜，甚至會出現焊縫的開裂和螺紋的實效。
【發明內容】
[0003]針對傳統經驗無法獲得吊裝孔的最佳位置，因此，本發明提供一種撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，本發明通過CAD、CAE技術建立較為簡單的化工類撬裝框架有限元模型，并通過不斷改變吊裝點位置，求出框架最大撓度的最小值，從而給出吊裝點的理論最佳位置。
[0004]為了解決上述技術問題，本發明一種撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，包括以下步驟:
[0005]步驟一、根據撬裝化工廠框架結構設計圖，初步確定決定吊裝點在坐標系0ΧΥΖ中位置的設計參數:
[0006]設撬裝化工廠框架的側梁長度為W，主支撐梁的長度為L ；
[0007]以撬裝化工廠框架的任一下端角點作為坐標原點建立坐標系0ΧΥΖ，其中X方向為沿框架底端側梁方向、Y方向為沿框架豎梁方向、Z方向為沿框架底端主支撐梁方向，在上述坐標系 0ΧΥΖ 下定義四個吊裝點 A (xa，ya，za)、b (xb，yb，zb)、c (xc，yc，zc)、d (xd，yd，zd)，將其中的ZA、ZB、z。、ZD作為優化設計變量；
[0008]步驟二、利用ANSYS軟件對撬裝化工廠框架進行模型簡化:
[0009]提取框架筋板的中性面及載荷作用面，并利用三維繪圖軟件建立該框架的曲面模型，將該曲面模型存為.1GS中性文件，并將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理；[0010]步驟三、根據經驗設計方案初步確定ZA、ZB、z。、ZD優化設計變量的數值，然后進行靜態分析:
[0011]確定四個吊裝點的坐標分別為A (0，0，0.25L)、B (0，0，0.75L)、C (0，W，0.25L)、D (0，W，0.75L)，靜態求解后，得出撬裝化工廠框架的最大變形量Umax及最大應力Pmax ；
[0012]步驟四、根據撬裝化工廠框架的最大變形量Umax或最大應力Pmax對\、ZB、Zc、ZD的靈敏度縮減優化區間并得出四組設計方案；與此同時，根據撬裝化工廠框架許用變形和許用應力確定優化目標，并將上述一組設計方案中優化目標最小的作為初始優化設計方案；
[0013]步驟五、采用坐標輪換法優化確定撬裝化工廠框架吊裝點:
[0014]坐標輪換按步驟四中的四組設計方案中優化目標最小值遞增順序；
[0015]5-1、設步驟四中初始優化設計方案作為第一次輪換初始值
[0016]5-2、沿坐標1正、負方向取步長d和d/2搜索，保留優化目標最小對應的坐標；再沿其余坐標執行同樣的操作，完成一次輪換；
[0017]5-3、依此類推，如果第n+1次優化目標值小于第η次優化目標值時，返回5_2 ;否貝U，退出輪換，并將第η次結果作為最終結果，從而得到撬裝化工廠框架吊裝點位置。
[0018]進一步講，步驟二中，所述將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理，包括:設置材料屬性、選擇殼單元、劃分網格、添加慣性加速度及化工設備相應的載荷，并約束吊裝點附近區域。
[0019]步驟四中，所述撬裝化工廠框架的許用變形為L/1000，所述撬裝化工廠框架的許用應力為其材料的屈服強度os和安全系數η的比值。
[0020]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0021]本專利利用CAD、CAE及參數優化技術，獲得框架較為精確的變形和最大應力，而后通過參數優化獲得最佳吊裝孔位置。利用本發明方法設計吊裝點的位置比傳統的經驗法確定的位置，其最大變形量和最大應力均有減小。同時，本發明方法可推廣應用于其它行業框架吊裝位置的確定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是撬裝化工廠框架結構吊裝點設計流程圖；
[0023]圖2是實施例1的撬裝化工廠設備的示意圖；
[0024]圖3是圖2中所示框架結構及吊裝點位置示意圖；
[0025]圖4是實施例1撬裝化工廠框架的有限元模型；
[0026]圖5是實施例1撬裝化工廠框架最大變形隨設計變量的變化情況；
[0027]圖6是實施例1撬裝化工廠框架最大應力隨設計變量的變化情況；
[0028]圖7是對圖3所示吊裝點設計后的撬裝化工廠框架的位移變形分布圖；
[0029]圖8是對圖3所示吊裝點設計后的撬裝化工廠框架的應力變形分布圖；
[0030]圖9是實施例2的撬裝化工廠設備的示意圖；
[0031]圖10是圖9中所示框架結構及吊裝點位置示意圖；
[0032]圖11是實施例2撬裝化工廠框架的有限元模型；
[0033]圖12是實施例2撬裝化工廠框架最大變形隨設計變量的變化情況；[0034]圖13是實施例2撬裝化工廠框架最大應力隨設計變量的變化情況；
[0035]圖14是對圖10所示吊裝點設計后的撬裝化工廠框架的位移變形分布圖；
[0036]圖15是對圖10所示吊裝點設計后的撬裝化工廠框架的應力變形分布圖。
【具體實施方式】
[0037]下面分別對兩種撬裝化工廠框架按圖1所示流程進行吊裝點設計:
[0038]實施例1:
[0039]圖2所示為一種化工用撬裝設備，該設備主要由撬裝化工廠框架1、管道2、閥門3、再生器電加熱器4、原料氣入口分液罐5、入口過濾器6、小分子分篩塔7、分子篩塔8、分子篩副塔9、脫汞塔10、脫汞罐出口粉塵過濾器11、備用脫汞罐出口粉塵過濾器12組成，其中2和3總質量2240KG, 4質量100KG, 5質量260KG, 6質量620KG, 7質量750KG，8、9和10質量均為1800KG, 11和12質量均為310KG。
[0040]對上述化工用撬裝設備吊裝點位置的確定包括以下步驟:
[0041]步驟一、根據撬裝化工廠框架結構設計圖，初步確定決定吊裝點在坐標系0ΧΥΖ中位置的設計參數:
[0042]圖3為圖2中撬裝化工廠框架結構簡圖，其中圖中13為其中一個吊裝孔，14為一根底端主支撐梁，15為一根豎梁，16為安裝閥門和管線的底端主支撐梁，17為一根頂端主支撐梁，18為一根底端側梁，19為為一根頂端側梁，其中側梁長度為3m，主支撐梁的長度為10m。圖3中以撬裝化工廠框架的任一下端角點作為坐標原點建立坐標系0ΧΥΖ，其中X方向為沿框架底端側梁方向、Y方向為沿框架豎梁方向、Z方向為沿框架底端主支撐梁方向，在上述坐標系 0ΧΥΖ 下定義四個吊裝點 A (0，0，Za)、B (0，0，Zb)、C (0，3，Zc)、D (0，3，Zd)，其中ZA、ZB、Zc, ZD為優化設計變量；
[0043]步驟二、利用ANSYS軟件對撬裝化工廠框架進行模型簡化:
[0044]提取圖3中框架筋板的中性面，并利用三維繪圖軟件SolidWorks建立該框架的曲面模型，將該曲面模型存為.1GS中性文件，并將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理，該前處理內容包括:定義SHELL63單元、設置其對應的實常數(撬裝化工廠框架各筋板壁厚值確定)；設置材料屬性彈性模量2.lEllPa、泊松比0.28、密度7.8E3KG/，選用三級精度自由網格劃分；取重力加速度9.8m/s2、起吊加速度0.2m/s2，添加設備對應重量到相應的框架設備對應支撐處，其中閥門和管道均布到圖3中17的上表面，方向-Y，建立參數化(含ZA、ZB、Ze、ZD)約束條件、完全約束吊裝點附近70mmX70mm的面積域。最終建立的有限元模型如圖4所示。
[0045]步驟三、根據經驗設計方案初步確定ZA、ZB、ZC、ZD優化設計變量的數值，然后進行靜態分析:
[0046]根據經驗設計，取下端主支撐梁的三等分點作為吊裝點，即取ZA=ZC=2.5m，ZB=ZD=7.5m，作為靈敏度計算初始值，此時四個吊裝點的坐標分別為A (0,0,2.5)、B (0,0,
7.5)、C (0,3,2.5),D (0，3，7.5)。靜態求解后，得出撬裝化工廠框架的最大變形量Umax及最大應力Pmax分別為4.75mm和187.31Mpa。
[0047]步驟四、根據撬裝化工廠框架的最大變形量Umax或最大應力Pmax對ZA、ZB、ZC、ZD的靈敏度縮減優化區間并得出四組設計方案；與此同時，根據撬裝化工廠框架許用變形和許用應力確定優化目標，所述撬裝化工廠框架的許用變形為3/1000m，所述撬裝化工廠框架的許用應力為其材料的屈服強度235和安全系數1.5的比值，并將上述四組設計方案中優化目標最小的作為初始優化設計方案。
[0048]坐標輪換對稱性確定初始設計空間為0〈ZA〈5、5〈ZB〈10、0〈ZC〈5、5〈ZD〈10，以吊裝點經驗設計值為參考點，設計變量步長取0.5m,分別計算Umax和Pmax隨單一設計變量的變化，最終計算結果如圖5和圖6所示:Umax和Pmax隨設計變量的整體變化趨勢均為先減小后增大，存在靈敏度符號的變化。據此將設計空間縮減為2.0〈ZA〈3.0,7.0〈ZB〈8.0、
1.5〈ZC〈2.5、7.5〈ZD〈8.5 ;根據撬裝化工廠框架許用變形為10mm，許用應力為156.7Mpa，而縮減后的設計域中的四組設計方案中Umax均小于10mm, Pmax的最小值卻在200Mpa附近，可知Pmax小于許用應力不易滿足，因此以最大應力Pmax最小化作為優化目標；取上述四組設計方案中最大應力Pmax最小下方案作為優化初始方案，此時ZA=2.5m、ZB=7.5m、ZC=2.5m、ZD=8.0m，Umax=3.86mm，Pmax=144.633Mpa。
[0049]步驟五、采用坐標輪換法優化確定撬裝化工廠框架吊裝點:坐標輪換按步驟四中的四組設計方案中優化目標最小值遞增順序；包括:
[0050]5-1、設步驟四中初始優化設計方案作為第一次輪換初始值；
[0051]5-2、沿坐標1正、負方向取步長0.1和0.05搜索，保留優化目標最小對應的坐標，再沿其余坐標執行同樣的操作，完成一次輪換；
[0052]5-3、依此類推，直到第4次優化目標值才不小于第3次優化目標值，因此將第3次結果作為優化結果，此時 Za=2.35m、Zb=7.5m、Zc=2.4m、ZD=7.85m，最大變形 Umax 為 3.92mm,比經驗方案對應值降低了 17.5%左右，最大應力Pmax為129.93MPa，比經驗方案對應值降低了 30.6%。圖7為優化后的`撬裝化工廠框架的靜態變形圖，從圖中可以看出，靜態變形MX發生在底端側梁和其中一根豎梁上。圖8為優化后的撬裝化工廠框架的應力分布圖，從圖中可以看出，靜態變形MX發生在底端側梁和其中一根豎梁上。
[0053]實施例2:
[0054]圖9為實施例2的化工用撬裝設備，該設備主要由撬裝化工廠框架20，儲液罐21、其重量560KG，軸頭泵22、質量300KG，過濾器23、質量750KG，過濾器24和25、質量均為1800KG,分子篩塔26、質量357.8KG，粉塵過濾器27、質量360KG，板式換熱器28重量600KG，脫汞塔29.質量900KG，另外管道和閥門質量為2000KG。
[0055]上述化工用撬裝設備吊裝點位置的確定包括以下步驟:
[0056]步驟一、根據撬裝化工廠框架結構設計圖，初步確定決定吊裝點在坐標系0XYZ中位置的設計參數:以實施例2撬裝化工廠框架的任一下端角點作為坐標原點建立坐標系0XYZ，其中X方向為沿框架底端側梁方向、Y方向為沿框架豎梁方向、Z方向為沿框架底端主支撐梁方向，在上述坐標系0XYZ下定義四個吊裝點A (XA，YA，Za)、B (Xb，Yb，Zb)、C (Xc,YC，ZC)、D ?1)，￥1)，21))，將其中的24、2^2。、21)作為優化設計變量；圖10中撬裝化工廠框架的側梁長度為3m，主支撐梁的長度為10m，31為吊柱。圖10中以撬裝化工廠框架的任一下端角點作為坐標原點建立坐標系0XYZ，其中X方向為沿框架底端側梁方向、Y方向為沿框架豎梁方向、Z方向為沿框架底端主支撐梁方向，在上述坐標系0XYZ下定義四個吊裝點A (0,0,Za)、B (0，0，Zb)、C (0，3，Zc)、D (0，3，21))，其中24、28、2。、21)為優化設計變量；
[0057]步驟二、利用ANSYS軟件對撬裝化工廠框架進行模型簡化:提取框架筋板的中性面及載荷作用面，并利用三維繪圖軟件建立該框架的曲面模型，將該曲面模型存為.1GS中性文件，并將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理，該前處理包括:定義SHELL63單元、設置其對應的實常數(撬裝化工廠框架各筋板壁厚值確定)；設置材料屬性彈性模量2.lEllPa、泊松比0.28、密度7.8E3KG/，選用三級精度自由網格劃分；取重力加速度9.8m/s2、起吊加速度0.2m/s2，添加設備對應重量到相應的框架設備對應支撐處，方向-Y，建立參數化(含ZA、ZB、Zc, ZD)約束條件、完全約束吊裝點附近70mmX70mm的面積域。最終建立的有限元模型如圖11所示。
[0058]步驟三、根據經驗設計方案初步確定ZA、ZB、ZC、ZD優化設計變量的數值，然后進行靜態分析:確定四個吊裝點的坐標分別為A (0，0，2.5)、B (0，0，7.5)、C (0,3,2.5),D (0，3,7.5),靜態求解后，得出撬裝化工廠框架的最大變形量Umax及最大應力Pmax ;取經驗設計值ZA=Ze=2.5m，Zb=Zd=7.5m作為優化初始值，進行靜態求解，并提取最大位移變形量Umax及最大應力Pmax，初始計算分別為1.922mm和65.99Mpa。
[0059]步驟四、根據撬裝化工廠框架的最大變形量Umax或最大應力Pmax對ZA、ZB、ZC、ZD的靈敏度縮減優化區間并得出四組設計方案，所述撬裝化工廠框架的許用變形為3/1000m，所述撬裝化工廠框架的許用應力為其材料的屈服強度235和安全系數1.5的比值。與此同時，根據撬裝化工廠框架許用變形和許用應力確定優化目標，并將上述一組設計方案中優化目標最小的作為初始優化設計方案；坐標輪換對稱性確定初始設計空間為0〈ZA〈5、5〈ZB〈10、0〈ZC〈5、5〈ZD〈10，以吊裝點經驗設計值為參考點，設計變量步長取0.5m,分別計算最大變形Umax和最大應力Pmax隨單一設計變量的變化，最終計算結果如圖12和圖13所示，由此可以得出:Umax和Pmax隨設計變量的整體變化趨勢均為先減小后增大，存在靈敏度符號的變化。據此將設計空間縮減為1.5〈ΖΑ〈2.0、7.0〈ΖΒ〈8.0、2.0〈ZC〈2.5、
7.5〈ZD〈8.5 ;根據撬裝化工廠框架許用變形為10mm，許用應力為156.7Mpa，而縮減后的設計域中的四組設計方案中最大變形Umax均小于5mm,最大應力Pmax最小值均在lOOMpa附近，可知Umax小于許用變形相比Pmax小于許用應力更易滿足，因此取Pmax最小化為優化目標；取上述四組設計方案中最大應力Pmax最小下方案作為優化初始方案，此時ZA=2.0m,ZB=7.5m，ZC=2.5m，ZD=7.5m，Umax=l.922mm，Pmax=65.99Mpa。
[0060]步驟五、采用坐標輪換法優化確定撬裝化工廠框架吊裝點:
[0061]坐標輪換按步驟四中的四組設計方案中優化目標最小值遞增順序；
[0062]5-1、設步驟四中初始優化設計方案作為第一次輪換初始值
[0063]5-2、沿坐標1正、負方向取步長0.1和0.05搜索，保留優化目標最小對應的坐標；再沿其余坐標執行同樣的操作，完成一次輪換；
[0064]5-3、依此類推，最終計算得，第3次優化目標值不小于第2次優化目標值，從而得到撬裝化工廠框架吊裝點最終設計方案:Za=2.lm, Zb=7.4m, Zc=2.5m, ZD=7.5m，Umax=l.728mm,比經驗方案對應值降低了 10.1%，Pmax=63.92Mpa比經驗方案對應值降低了
3.1%。
[0065]圖14為優化后的撬裝化工廠框架的靜態變形圖，從圖中可以看出，靜態變形最大值MX發生過濾器23所在的安裝位置處。圖15為優化后的撬裝化工廠框架的應力分布圖，從圖中可以看出，應力最大值MX發生在吊裝點附近。
[0066]盡管上面結合圖對本發明進行了描述，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發明的保護之內。
【權利要求】
1.一種撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一、根據撬裝化工廠框架結構設計圖，初步確定決定吊裝點在坐標系OXYZ中位置的設計參數:設撬裝化工廠框架的側梁長度為W，主支撐梁的長度為L ；以撬裝化工廠框架的任一下端角點作為坐標原點建立坐標系OXYZ，其中X方向為沿框架底端側梁方向、Y方向為沿框架豎梁方向、Z方向為沿框架底端主支撐梁方向，在上述坐標系 OXYZ 下定義四個吊裝點 A (Xa，Ya，Za)、B (Xb，Yb，Zb)、C (Xc，Yc，Zc)、D (XD，YD，ZD)，將其中的ZA、ZB、z。、ZD作為優化設計變量；步驟二、利用ANSYS軟件對撬裝化工廠框架進行模型簡化:提取框架筋板的中性面及載荷作用面，并利用三維繪圖軟件建立該框架的曲面模型，將該曲面模型存為.1GS中性文件，并將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理；步驟三、根據經驗設計方案初步確定\、ZB、Z。、ZD優化設計變量的數值，然后進行靜態分析:確定四個吊裝點的坐標分別為 A (0，0，0.25L)、B (0，0，0.75L)、C (0，W，0.25L)、D (0，W，0.75L)，靜態求解后，得出撬裝化工廠框架的最大變形量Umax及最大應力Pmax ；步驟四、根據撬裝化工廠框架的最大變形量Umax或最大應力Pmax對ZA、ZB、Ze、ZD的靈敏度縮減優化區間并得出四組設計方案；與此同時，根據撬裝化工廠框架許用變形和許用應力確定優化目標，并將上述一組設計方案中優化目標最小的作為初始優化設計方案；步驟五、采用坐標輪換法優化確定撬裝化工廠框架吊裝點:坐標輪換按步驟四中的四組設計方案中優化目標最小值遞增順序；5-1、設步驟四中初始優化設計方案作為第一次輪換初始值5-2、沿坐標1正、負方向取步長d和d/2搜索，保留優化目標最小對應的坐標；再沿其余坐標執行同樣的操作，完成一次輪換；5-3、依此類推，如果第n+1次優化目標值小于第η次優化目標值時，返回5_2 ;否則，退出輪換，并將第η次結果作為最終結果，從而得到撬裝化工廠框架吊裝點位置。
2.根據權利要求1所述撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，其中，步驟二中，所述將該.1GS中性文件導入ANSYS軟件中進行前處理，包括:設置材料屬性、選擇殼單元、劃分網格、添加慣性加速度及化工設備相應的載荷，并約束吊裝點附近區域。
3.根據權利要求1所述撬裝化工廠框架吊裝點位置的確定方法，其中，步驟四中，所述撬裝化工廠框架的許用變形為L/1000，所述撬裝化工廠框架的許用應力為其材料的屈服強度os和安全系數η的比值。
【文檔編號】G06F17/50GK103699748SQ201310733710
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】葛銀明, 楊林, 林盛, 王文波, 李賀松, 毛海東, 員曉輝 申請人:天津市振津工程設計咨詢有限公司