安全裕量的案例
自主CAE | 基于PERA SIM Mechanical的反應釜攪拌裝置強度分析
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 低溫工況下減速機扭矩衰減率，測試與補償方案是什么？
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 復雜工程建模和模擬的驗證與確認
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 地鐵車下設備吊掛結構優化
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 
Ansys憑借新一代驅動設計產品榮獲2021年臺積電OIP年度合作伙伴獎
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。”
展開 Ansys Mechanical | 如何研發出可靠的汽車動力模塊？（二）
案例F有可容許的變形與溫度，但是無安全裕量，因此即使微小生產變化也會導致失效。
瞬態熱分析結果：紅色表示會出現焊料再熔化，綠色表示不會出現焊料再熔化，而黃色表示臨界結果。
來源于：ANSYS官網
Ansys Mechanical | 如何研發出可靠的汽車動力模塊？（二）
案例F有可容許的變形與溫度，但是無安全裕量，因此即使微小生產變化也會導致失效。
瞬態熱分析結果：紅色表示會出現焊料再熔化，綠色表示不會出現焊料再熔化，而黃色表示臨界結果。
來源于：ANSYS官網
【技術】天洑數據建模實施案例集錦（3）- 風力機輪轂強度快速評估
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。
解決方案：基于DTEmpower的輪轂強度分析建模實戰
為了對輪轂在不同載荷下的應力情況進行快速分析，快速判斷輪轂結構的可靠性，本案例基于DTEmpower數據建模平臺，采用數據驅動的方法建立輪轂載荷和輪轂應力之間高精度的回歸模型，為輪轂的強度分析提供代理模型支撐。
輪轂強度分析建模試驗1
1. 數據集介紹：根據客戶提供的計算程序，結合AIPOD中的智能采樣功能生成輪轂強度數據集。數據集的3維輸入表示輪轂上的三個扭矩，5維輸出表示五個節點的應力。目標是得到輸入輸出變量之間的映射關系；
2. 建模方法和結果：圖1所示的建模方法采用了GBDT、隨機森林和AIAgent等多種算法進行回歸分析，最終選取精度最高的模型；
圖1 基于DTEmpower軟件平臺的輪轂強度分析建模流程和結果。首先利用AIPOD的智能采樣功能計算生成數據集，然后在DTEmpower中進行建模分析
3. 建模結果分析：結合DTEmpower數據建模工具，使用 AIAgent擬合輸入輸出變量之間的映射關系，可使模型的R2指標達到99%以上，優于其他訓練算法。
輪轂強度分析建模試驗2
1. 數據集介紹：某頭部風機制造商提供的結構應力評估數據集，含有15維輸入，為5個測點在三個方向上的載荷；輸出為9個測點的應力，共27維。數據集中有2400個樣本，目標是快速評估測點的結構應力；
2.
展開 核電設備RCC-M校核標準概述
實驗方法是通過設備或其某些構件幾何相似的模型承受荷載的作用，以確定變形和應力，或求出與所研究的損壞有關的安全裕量。
?
強度理論
計算中，對1級設備采用第三強度理論，即計算最大剪應力。對2、3級設備采用第一強度理論，即計算最大主應力。
校核核電設備的關鍵步驟包含根據設備的技術特性確定設備應滿足的規范，即應力限制；確定結構所受的載荷。從而對設備進行力學分析與應力評定，驗證設計是否達到RCC-M規范的強度要求。
Ansys憑借新一代驅動設計產品榮獲2021年臺積電OIP年度合作伙伴獎
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。
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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。”
展開 ANSYS：模塊化井口設計
所有這些型號井口采用的鎖環都必須能夠承受與井口壓力等級相當的向上力，同時還必須在指定安全裕量范圍內符合材料屈服極限。鎖環從徑向分開，一種旋轉工具使鎖環膨脹并進入井口孔壁的凹槽內。該工具需手動操作，因此使鎖環膨脹所需的力值大小大約不超過200英尺磅。
WEFIC 工程師過去每次設計迭代時需要構建并測試一個物理原型，每次迭代大約需要2個月的時間。過去幾年來，石油價格的走低迫使該公司尋求方法來提高設計過程中的效率。WEFIC與CAD-IT Consultants公司通力合作，使用ANSYS仿真軟件來創建虛擬原型，這樣可以減少需要構建和測試的物理原型數量。該公司采用 ANSYS Mechanical有限元分析軟件指導5000psi與10000psi井口的鎖環設計。
工程師將鎖環材料定義為屈服強度超過100000psi的合金鋼。他們需要同時計算鎖環膨脹需要的力以及在鎖環下面施加與井口壓力等級相當的力時整個鎖環的應力。為了實現上述目標，他們在仿真開始時移動鎖環，使其能夠徑向膨脹。鎖環完全膨脹后，則徑向位移結束，此時即可記錄鎖環膨脹所需的最大力。然后采用另一個位移邊界條件使鎖環上移。當反作用力達到井口的壓力等級時，停止仿真，然后評估鎖環的應力與撓曲。
通過施加位移邊界條件使鎖環膨脹，即可獲得最大鎖環膨脹力。
加快市場部署
首次設計迭代提供了可承受的膨脹力，但是應力值超出了設計目標。工程師通過改變鎖環厚度值以及鎖環接觸井口時其外徑橫截面的角度，創建了另外的設計迭代。通過連續10次迭代，他們把應力值降低到設計規范以下，同時減少了鎖環的膨脹力和重量。
然后工程師構建并測試了一個原型。測試結果滿足了全部設計規范而且與仿真結果非常匹配。利用仿真，工程師只用兩周時間就完成了鎖環設計，又用兩個月時間構建并測試了原型。
展開 
Ansys聯合研發領先的多物理場技術和設計解決方案，榮獲四項臺積電2023 OIP年度最佳合作伙伴獎
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。得益于這種密切合作，雙方客戶都能夠在行業最具挑戰性的高頻率多芯片設計項目中，信心十足地使用Ansys工具。”
國內儲存容器未來發展的一大趨勢—覆土罐，只欠東風了！
（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，可忽略不計；
d) 充水重量；
e) 試驗時壓力；
f) 設計真空度；
g) 覆土載荷；
h) 不均勻基礎載荷或支座反力；
i) 作用于覆罐本體的軸向摩擦力；
j) 地震載荷；
k) 蒸汽云爆炸載荷；
i) 覆土上部檢修載荷；
m) 覆土上部的雪載荷；
需要時，還應考慮下列載荷：
n) 來自管道的外部載荷，溫度和壓力急劇波動的沖擊載荷、流體沖擊引起的反力等；
o) 在運輸或吊裝時的作用力。
上述列舉的覆土罐需要考慮的載荷，與常規地上容器對比，可知：覆土罐重點還需要考慮覆土載荷、不均勻基礎載荷、作用于罐體本體的軸向摩擦力、蒸汽云爆炸載荷、覆土上部檢修載荷和雪載荷。
（三）覆土罐設計需考慮的載荷組合工況
需要考慮的載荷增加了很多，那么需要考慮和計算的載荷組合工況相應的也會很多，如下表共列出了七種設計工況，每種設計工況需要對應的考慮各種載荷的組合：
如上表中正常操作工況時，需要考慮和計算的載荷有：
設備自重+操作介質重量+設計內壓+液柱靜壓+覆土載荷+外部活載+軸向載荷+基礎反力+地震載荷+雪載荷+爆炸沖擊載荷，其計算要比常規容器繁瑣和復雜得多。
展開 氣球載具俯瞰全球
屈曲載荷因子是造成結構屈曲的載荷與實際載荷之比，即屈曲安全裕量。在多種情況下，載荷因子在可接受的范圍內。因此工程師修改了SolidWorks模型以添加縱梁（鉚接在結構上的帶有橫截面的擋邊）。他們從SolidWorks導入新的幾何模型，同時保留與上一版模型相同的約束和載荷。經過連續八次迭代，工程師在有效載荷艙的上方和下方支撐腳中添加了縱梁，直到結構能夠完全承受屈曲載荷為止。在ANSYS仿真的幫助下，World View增加了最小數量的結構支撐件，不僅可滿足設計要求，同時最大限度地減輕了結構重量。
ANSYS初創公司項目
“如果沒有仿真的幫助，現在的載具結構重量會更大，從而會降低有效載荷能力。”
仿真熱載荷
降落傘張開時5g重力加速度下的應力
有效載荷艙向陽面和背陽面的溫差熱載荷會給電子裝置帶來熱管理問題。背陽面環境溫度可低至-90攝氏度。在大約50,000英尺的較低高度下， 同溫層的酷寒會破壞電子裝置。而在大約95,000英尺的較高高度下， 稀薄的大氣會限制對流冷卻，進而造成電子裝置過熱。載具中的電子設備必須保持在–40攝氏度到+50攝氏度的溫度范圍內。為了從熱管理角度評估有效載荷艙，工程師向該結構添加了幾何模型，以表示電路板、熱沉、散熱板和外殼等電子組件。他們在模型上加載了多個熱源，以表示太陽、關鍵集成電路和用于將溫度保持在可接受范圍內的加熱器。他們還在外殼內部和外部添加了傳導路徑和輻射約束，這樣虛擬組件就能在仿真中彼此傳導熱量并向內部和外部輻射熱量。工程師使用查找表來計算外殼外表面的自然對流，并將傳熱系數確定為表面溫度的函數。在將載荷和約束應用到模型后，World View工程師證明了預期的低溫狀況和高溫狀況都在電子組件所能承受的溫度范圍內。
展開 仿真APP助力石油化工設備設計優化，提高生產效率及安全性
自重分析對于LNG混凝土外罐至關重要，因為外罐需要承受自身的重量以及內部LNG的重量，同時還需要考慮在垂向及橫向加速度過載下的安全性能。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。
立即體驗：www.simapps.com/v/174677.html
07 工業蛇管流動換熱分析仿真APP
蛇形管換熱器按其結構形狀可分為沉浸式和噴淋式蛇形管換熱器兩類。此APP展示的是沉浸式蛇形管流動換熱的過程。此APP封裝了換熱運行參數、蛇管形位參數、材料物性、網格控制與計算控制參數，可快速計算蛇管尺寸、蛇管形狀、布局位置、管材特性、介質特性及運行工況等改變的情況下對工業容器蛇管散熱設備溫度及冷卻通道流場的影響。
立即體驗：www.simapps.com/v/199903.html
08 三通管湍流內流場冷熱流混合效果分析仿真APP
冷熱流體在三通管內的湍流混合是一類具有代表性的典型問題，對于工業系統的效率、安全性和經濟性具有重要的實際意義。仿真分析能夠幫助工程師提高混合的均勻性和效率，從而減少能源浪費；減少因熱波動誘發的熱應力、熱疲勞，降低部件失效風險；可作為管道優化的基礎。
本APP使用SSTk-omega湍流模型對一個三通管內部不同流速、不同溫度流體的混合效果進行快速分析，以便在設計早期識別潛在的設計風險。
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