安全裕量
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-01
安全裕量的實例教程
摘要：本文利用PERA SIM Mechanical結構仿真軟件建立了反應釜攪拌裝置結構仿真模型，從導入幾何模型開始，到劃分網格、賦予材料參數、施加邊界條件和載荷加載過程，進行靜力結構分析，最終得到分析結果；通過有限元分析方法，對攪拌裝置在工作時的受力情況進行模擬和計算，確保其在設計工況下具有足夠的結構強度；研究其應力變形分布，在保證結構安全性的同時，防止因設計安全裕量過大而造成材料浪費，本文為反應釜的設計和選型提供了一定的參考信息。
關鍵詞：反應釜；攪拌系統；結構強度
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1.引言
在化學工業中，反應釜是一種用于化學反應的設備。反應釜通常由反應容器、加熱/冷卻系統、攪拌裝置、壓力控制系統和監控系統等部分組成。攪拌裝置是反應釜中的關鍵受力件，反應釜中的攪拌裝置通常由攪拌槳葉、攪拌軸和驅動裝置等部分組成，攪拌裝置的結構穩定性直接影響設備的性能。在設備整體降低重量、降成本等驅使下，零件在不斷進行降成本及優化設計。生產的槳葉壁厚變得越來越薄，攪拌軸也越來越細，這對攪拌裝置的設計帶來了新的困難。主要表現為易產生應力集中、彎曲變形等問題，嚴重影響了生產效率及生產安全。
本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了攪拌裝置結構仿真模型，從導入幾何模型開始，到劃分網格、賦予材料參數、施加邊界條件和載荷模擬工作過程，最終得到分析結果。通過有限元分析方法，對攪拌裝置在工作時的受力情況進行模擬和計算，確保其在設計工況下具有足夠的結構強度。研究其應力應變分布，在保證結構安全性的同時，防止因設計安全裕量過大而造成材料浪費。
展開 測試應在目標低溫條件下進行，測量輸出扭矩與輸入扭矩的比值隨溫度的變化，建立溫度-扭矩衰減的經驗關系，并據此設定溫度補償模型與安全裕量。
在低溫環境中，減速機扭矩衰減是一個常見問題，對其進行準確測試并采取有效補償方案至關重要。
1、測試方案
（1）搭建測試環境：構建模擬低溫工況的實驗室環境，利用低溫試驗箱將減速機置于設定的低溫條件下，如-20℃、-40℃等，同時保持環境濕度等因素穩定。
（2）測量參數：使用高精度的扭矩傳感器分別測量減速機在常溫與低溫環境下的輸出扭矩。在測試過程中，要確保減速機的輸入轉速、負載等條件一致，以保證測試結果的準確性。每隔一定時間記錄一次扭矩數據，多次測量取平均值，以減小測量誤差。
（3）計算衰減率：根據測量得到的常溫扭矩值和低溫扭矩值，按照公式“扭矩衰減率=（常溫扭矩-低溫扭矩）/常溫扭矩×100%”計算不同低溫環境下的扭矩衰減率。
2、補償方案
（1）加熱措施：為減速機配備加熱裝置，如電加熱帶、加熱板等。通過溫度傳感器實時監測減速機的溫度，當溫度低于設定值時，自動啟動加熱裝置，使減速機內部溫度保持在合適的范圍內，從而減少扭矩衰減。
（2）更換潤滑油：選用低溫性能良好的潤滑油，這類潤滑油在低溫下具有較低的粘度，能減少因潤滑油粘度增大而導致的扭矩損失。定期更換潤滑油，并根據不同的低溫環境選擇合適的潤滑油型號。
（3）優化設計：在減速機的設計階段，考慮低溫工況的影響，采用更耐寒的材料制造關鍵部件，如齒輪、軸承等。同時，優化減速機的結構，減少內部摩擦和能量損失，提高減速機在低溫環境下的性能。
文章來源：https://www.zhboyang.com/news/wenda/7380.html
展開 SNL 于 2006 年12 月完成核彈頭 W76 和 W80 火燒實驗模型的確認工作，并給出安全裕量和不確定度。項目評審委員會認為: 這是歷史上第一次將 QMU 分析方法用于核戰斗部的評估，而早先的評估主要是基于專家判斷和少量的試驗數據; 可以通過 QMU 過程為武器系統認證提供額外的量化證據，有能力根據核武器安全要求認證不確定度和安全裕量。2006 年在 SNL 召開的會議上提出模型確認的 3 個挑戰問題，包括熱傳導、靜力學和動力學等，用以集中探討模型確認的各種解決方法。
值得關注的是建立測試、考核和評估應用程序的標準模型庫和開展校準應用程序的基準試驗研究是未來實施 M＆S 的 V＆V 的關鍵。
國內研究發展狀況
國內在應用軟件 M＆S 領域也開展大量關于軟件的 VV＆A 的工作，并取得一系列成果。哈爾濱工業大學院士王子才等和楊明等在復雜仿真系統建模-算法-評估方面開展大量研究，提出 VV＆A 發展的關鍵問題。
中國航空工業航空氣動力數值模擬重點實驗室和中國航空研究院數值模擬技術研究應用中心在 CFD 模擬置信度評估和 V＆V 涉及的相關概念、術語以及 V＆V 在航空氣動力數值模擬置信度評估方法研究方面開展大量工作，包括 SQA，MMS，誤差分析和不確定度量化等方法。
中國船舶科學研究中心在船舶動力學 CFD 不確定度分析方法方面展開大量工作，并將 V＆V 技術應用到船舶水動力學數值模擬置信度評估中，取得較好的結果。
總體來說，我國對 M＆S 置信度評估及 V＆V 的研究仍處于起步階段，表現為研究工作比較分散、缺乏規模，大量工作都是結合調研開展的前期研究，尚未建立關于 M＆S 置信度評估及 V＆V 的概念體系，對可信度評估理論和方法也沒有形成統一的標準。
在 M＆S 的開發過程中對置信度評估及 V＆V 工作的重要性和必要性缺乏認識。
展開 說明該結構具有較大的安全裕量，但最大應力出現在焊縫區域，需進行適當調整，同時也說明該結構具有較大的輕量化空間。
圖5：托架靜強度和疲勞強度工況最大等效應力云圖
3.3 Inspire 初步優化
3.3.1 拓撲優化三要素
對于托架螺栓固結節點，鉸接孔的位置和尺寸是在結構設計階段決定的，故該處為非設計區域，剩下的結構則為設計區域。優化后的結構必須保證原始結構的力學性能，故將其最大應力 180 MPa 作為約束條件（約 1 倍安全裕量）。以體積最小化為響應進行，優化區域 施加對稱約束。拓撲優化三要素如下：
? 可優化區域：為了合理承載，需要對該結構進行綜合優化，即可優化區域為鋼構架。
? 約束條件：
1. 滿足 EN12663 和 IEC6137 標準；
2. 單個構架與車體采用螺栓四點緊固，與設備采用螺栓單點緊固；
3. 材質選用 Q355GNHD 耐候鋼；
4. 施加對稱約束。
? 優化目標：結構能夠承受 90kg 吊掛質量。
3.2.2 優化結果
計算后得到拓撲優化結果，參照原始結構得到優化結果見圖 6。托架優化后質量 1.21kg，減重幅度為 73.70%。雖然優化結構輕量化結果可觀，但由于是焊接結構涉及材料、焊縫位置、設備承載平面和加工工藝等因素影響，需要進一步對此結構調整。
圖6：優化模型前后對比
3.3 OptiStruct 最優方案
為找出最優方案，繼續沿用拓撲優化三要素參數，同時擴大了優化設計空間，設備承載平面也定義為非設計空間。
展開 隨著晶體管數量和復雜性的增加，以及超低電源電壓導致安全裕量不斷減少，壓降和電遷移等傳統的驗收分析工作在3nm和N4技術中變得越來越挑戰。Ansys與臺積電就這些問題開展深入合作，Ansys RedHawk-SC?和Ansys Totem?不僅獲得臺積電最先進的3nm和N4工藝技術認證，同時也為Ansys斬獲了 “聯合研發4nm設計基礎架構” 獎項。
臺積電3DFabric技術可為業界提供具有更高集成密度的解決方案。為了實現3DFabric技術的優勢，不僅需要更大容量的分析平臺，而且還需要在設計流程中集成新的物理特性。憑借面向完整芯片-封裝熱分析的Ansys RedHawk-SC Electrothermal?研發工作，Ansys榮獲了“聯合研發3DFabric?設計解決方案”獎項。
采用ANSYS? REDHAWK-SC ELECTROTHERMAL? 對一個2.5D封裝進行熱分析，顯示了安裝在基板層上的兩個芯片的溫度分布和機械翹曲情況
臺積電設計基礎架構管理事業部副總裁Suk Lee表示：“恭喜Ansys成為2021年臺積電OIP年度最佳合作伙伴獎得主。我們雙方持續合作和努力不僅讓Ansys走在技術發展趨勢的最前沿，而且讓我們的客戶能夠充分利用臺積電先進技術在功耗、性能和尺寸方面的大幅改進，從而加速其差異化產品的創新。”
Ansys副總裁兼電子與半導體事業部總經理John Lee指出：“在整個半導體行業，臺積電是眾多技術開發者中的佼佼者，與臺積電的密切合作一直是我們簽核技術產品獲得成功的關鍵因素。得益于此次的密切合作，我們雙方客戶都能夠在行業最具挑戰性的先進單芯片和多芯片設計項目中信心十足地使用Ansys工具。”
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測試應在目標低溫條件下進行，測量輸出扭矩與輸入扭矩的比值隨溫度的變化，建立溫度-扭矩衰減的經驗關系，并據此設定溫度補償模型與安全裕量。
在低溫環境中，減速機扭矩衰減是一個常見問題，對其進行準確測試并采取有效補償方案至關重要。
通過自重分析，可以確保外罐在設計、制造和使用過程中具有足夠的安全裕量，以防止因自重過大而導致的結構破壞或失效。
此APP針對LNG混凝土外罐進行全參數化建模，模擬計算其在自重作用下的變形和應力分布情況，同時考慮了結構的垂向及橫向加速度過載載荷，可用于評估LNG混凝土外罐自重對結構強度和安全性的影響。
研究其應力應變分布，在保證結構安全性的同時，防止因設計安全裕量過大而造成材料浪費。
2.問題描述
模型參數
本文研究對象為某化工單位反應釜實物模型，根據分析目的，對實際模型進行一定的簡化，最終分析中用到的模型包括攪拌軸、連接套筒、槳葉。
隨著晶體管架構越來越復雜，設計尺寸越來越大，超低電源電壓導致安全裕量的逐漸消退，壓降和電遷移等傳統簽核分析在2nm和3nm芯片中已變得越來越精確。
Ansys副總裁兼電子、半導體與光學事業部總經理John Lee指出：“臺積電是半導體行業領先的技術創新企業，與臺積電的密切合作一直是我們多物理場簽核技術產品獲得成功的重要因素。
（一）覆土罐的基本結構
典型覆土罐相關元件名稱及結構簡圖如下圖所示：
（二）覆土罐設計需考慮的載荷
覆土罐設計應考慮以下載荷，綜合考慮所有相關因素、失效模式和足夠的安全裕量，以保證具有足夠的強度、剛度、穩定性等：
a) 容器自重；
b) 介質自重；
c) 設計內壓及液柱靜壓力，當液柱靜壓力小于設計壓力的5%時，
Aevum首席工程師Ovidiu Mihai表示：“Ansys能夠生成分析結果，為Ravn X的不同組件合理化安全裕量，這給我們提供了很大的幫助。如果沒有Ansys初創公司計劃，我們將無法做到這一點。”
條款6.1.8 ……在確定裝置汽蝕余量時，買方和賣方應當弄清楚最小連續穩定流量與泵的吸入比轉速之間的關系，一般來說，泵的最小連續穩定流量隨著吸入比轉速的增加而增加……，選擇吸入比轉速的大小及NPSH安全裕量時，應當考慮現有的工業水平和制造廠經驗。
解讀
吸入比轉速是衡量一臺離心泵吸入性能的一個指標，也是對內部回流敏感程度的一個評估尺度。
傳統的風電機組輪轂設計受設計人員的主觀因素影響較大，而且設計出輪轂的強度往往安全裕量過大，不滿足控制生產成本的要求；
2. 基于有限元的輪轂強度分析方法需要耗費大量的計算資源和時間，研發周期較長，這是影響輪轂強度計算的主要瓶頸；
3. 輪轂設計和優化需要依賴高精度的強度分析模型。
隨著晶體管數量和復雜性的增加，以及超低電源電壓導致安全裕量不斷減少，壓降和電遷移等傳統的驗收分析工作在3nm和N4技術中變得日益嚴峻。Ansys與臺積電就這些問題開展深入合作，Ansys RedHawk-SC?和Ansys Totem?不僅獲得臺積電最先進的3nm和N4工藝技術認證，同時也為Ansys斬獲了 “聯合研發4nm設計基礎架構” 獎項。
- 泵的流量和安全裕量，管道進出口壓差。
- 計算的NPSH、傳動方式、功率。
- 工藝數據表的格式由賣方提出,并由買方在首次工程會上確認。
2.8 工藝管道儀表流程圖
- 工藝管道儀表流程圖應顯示主要控制點，檢測、顯示儀表，帶尺寸的管線，閥門、管線等級，保溫要求，放空，采樣點，安全閥及爆破片(無尺寸)要求，調節閥(無規格)要求。
