孟利宏

(四川晨光工程設(shè)計(jì)院, 四川 成都 610041)

基于ANSYS的高壓容器的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟利宏

(四川晨光工程設(shè)計(jì)院, 四川 成都 610041)

利用ANSYS有限元分析軟件對一分離器高壓容器建立有限元模型,通過模型的加載求解,得到高壓容器主要受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖,結(jié)果顯示連接處存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。連接處的應(yīng)力大小與其尺寸有一定關(guān)系,建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,利用ANSYS的優(yōu)化模塊Design Exploration進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得到了使應(yīng)力集中系數(shù)最小的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸,按分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度分析, 在滿足應(yīng)力強(qiáng)度的條件下得到合理方案，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，而且大大節(jié)省了材料，降低生產(chǎn)制造成本。

高壓容器; ANSYS; 應(yīng)力分析 ;優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著近代化工業(yè)的高速發(fā)展，高壓容器獲得愈來愈廣泛的應(yīng)用，如合成甲醇工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15～30MPa；合成氨工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15～60MPa；合成尿素工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為20MPa；石油加氫工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為8～70MPa；油田閃蒸天然氣回收工程中高壓設(shè)備壓力為12～30MPa；乙烯氣體在超過100MPa的超高壓條件下進(jìn)行聚合反應(yīng)等，都是高壓設(shè)備在工業(yè)中的具體應(yīng)用，然而我們常規(guī)的設(shè)計(jì)依據(jù)GB150.1～150.4《壓力容器》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出的強(qiáng)度結(jié)果相對較保守，容器壁厚取的相對較厚，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著分析設(shè)計(jì)[2]概念的提出，設(shè)計(jì)人員越來越多的對高壓容器[3]結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文采用ANSYS 有限元分析軟件， 對容器各部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算與分析， 在不降低設(shè)備安全性的前提下以容器的質(zhì)量最小為目標(biāo)， 通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法給出壓力容器參數(shù)的最優(yōu)組合， 從而降低了結(jié)構(gòu)的厚度， 使材料得到有效的利用。

1 高壓容器參數(shù)化模型與數(shù)據(jù)分析

1.1 工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為一分離器，其球形封頭與接管連接區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個(gè)分離器封頭材料為Q345R，接管材料為16Mn， 其參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)壓力p=26MPa，設(shè)計(jì)溫度50℃，彈性模量E=191.6GPa，泊松比μ=0.3，許用應(yīng)力[σ]=250 MPa。

1.2 參數(shù)化建模

根據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)則，采用三維建模分析結(jié)構(gòu)，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)使整個(gè)模型自動(dòng)分配網(wǎng)格，充分利用該技術(shù)在模型尺寸發(fā)生突變處自動(dòng)將網(wǎng)格細(xì)化的功能得到既能滿足分析要求，有利于計(jì)算過程的網(wǎng)格布局，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為202743，單元數(shù)為49533，確保分析結(jié)果收斂，有限元模型如圖3 所示。

1.3 施加載荷及應(yīng)力分布

有限元分析[4]可以直觀的了解模型的應(yīng)力分布情況。正確地施加載荷和約束，才能有效地反應(yīng)實(shí)際情況。本例中， 壓力容器約束和加載情況如圖4所示。內(nèi)表面承受的壓力為設(shè)計(jì)壓力26 MPa，端面采用固定約束。

表1 分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 分離器結(jié)構(gòu)

圖2 高壓容器封頭與接管連接區(qū)結(jié)構(gòu)

圖3 壓力容器有限元模型

圖4 約束和加載

經(jīng)分析得到容器的應(yīng)力等效云圖，如圖5 所示。從圖中得出，封頭內(nèi)外應(yīng)力分布均勻，未出現(xiàn)應(yīng)力突變；最大等效應(yīng)力位于在封頭與接管連接處接管內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力值σmax為200.5 MPa，但未超過材料的許用應(yīng)力[σ]，滿足使用條件。

圖5 優(yōu)化前模型應(yīng)力云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

高壓容器的設(shè)計(jì)不僅要滿足強(qiáng)度要求,同時(shí)還需要考慮經(jīng)濟(jì)效益等因素,這使得優(yōu)化設(shè)計(jì)在壓力容器中具有重要的意義。產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)可采用Design Exploration，設(shè)定參數(shù)變量和目標(biāo)函數(shù)，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下,求得目標(biāo)函數(shù)的極值,從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。也就是在設(shè)計(jì)變量的區(qū)域內(nèi),在滿足約束條件的情況下,求取目標(biāo)函數(shù)的極值問題。

2.1 參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)圖1和圖2所顯示的結(jié)構(gòu)，選定容器的壁厚t1、t2、R1作為設(shè)計(jì)變量，σ作為約束條件-滿足小于許用應(yīng)力[σ]，高壓容器重量WT 為目標(biāo)函數(shù)。采用一階優(yōu)化方法，即通過對目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將有約束的多變量非線性規(guī)劃問題變成無約束的非線性規(guī)劃問題，以因變量對設(shè)計(jì)變量的偏導(dǎo)數(shù)來決定搜索方向，自動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化程序，在優(yōu)化的每一次循環(huán)中都對模型重新劃分網(wǎng)格，完成優(yōu)化分析[5]。綜上所述，可得壓力容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

2.2 優(yōu)化結(jié)果

通過上述優(yōu)化方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，經(jīng)多次迭加運(yùn)算后得到了最終的優(yōu)化結(jié)果。圖6為設(shè)計(jì)變量t1、t2和R1對目標(biāo)函數(shù)的影響因子圖，從圖中可以得知：封頭壁厚t1對容器質(zhì)量和最大等效應(yīng)力影響最大；封頭半徑R1對器質(zhì)量影響較大，但對最大等效應(yīng)力影響最小；接管壁厚t2對最大等效應(yīng)力影響較大，而對壁厚影響最弱。因此對于質(zhì)量控制，優(yōu)先考慮對t1和R1的控制；對最大等效應(yīng)力，考慮對t1和t2的控制。圖7為設(shè)計(jì)變量t1、R1對容器重量WT變化的規(guī)律分布圖，從圖中可以看出：隨著t1、R1的尺寸的增大，重量出現(xiàn)明顯的增加：但尺寸增大了，產(chǎn)品的強(qiáng)度水平會(huì)明顯降低，安全性會(huì)得到提高，因此需要綜合考慮。圖8為設(shè)計(jì)變量t1、t2對最大等效應(yīng)力變化的規(guī)律分布圖，從圖中可以看出，最大等效應(yīng)力隨著t1、t2的變化，呈凹形變化，即兩端應(yīng)力值較大，中間應(yīng)力值較低，當(dāng)t1、t2位于中間某尺寸時(shí)，等效應(yīng)力值最小。經(jīng)綜合分析后，當(dāng)t1為28.74mm、t2=8.75mm，R1=140.37mm時(shí)，容器重量最小，重量降至34kg，σmax為234.5MPa[σ]，滿足使用要求。

圖6 設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)函數(shù)的影響因子分布圖

圖7 t1、R1對容器重量WT變化的規(guī)律分布圖

圖8 t1、t2對最大等效應(yīng)力變化的規(guī)律分布圖

2.3 優(yōu)化后的容器的參數(shù)

表2為優(yōu)化前后參數(shù)的對比，從優(yōu)化前后參數(shù)可看出：封頭壁厚t1從32 mm 降至28.74mm，減薄了約10.18%，封頭半徑R1從148.5減小為140.37mm，接管壁厚t2從12mm 降至8.75 mm，目標(biāo)函數(shù)WT 從42.83kg 降至34Kg，質(zhì)量減少了約20.6%，效果明顯。

表2 優(yōu)化前后主要參數(shù)

3 結(jié)論

(1)本文采用ANSYS 軟件中的Design Exploration對壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 將封頭重量由42.83kg 降至34Kg，目標(biāo)函數(shù)減少了約20.6%，并得得到了封頭和接管壁厚之間的最佳配合尺寸，既滿足了使用條件，又節(jié)省了材料成本。

(2)采用ANSYS有限元參數(shù)化建模，方便參數(shù)變量化，有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，能夠較快的分析出最優(yōu)方案，過程可靠，是一種高效的設(shè)計(jì)方法。

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB150.1～150.4 壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)． JB 4732-1995 鋼制壓力容器--分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1995.

[3] 丁伯明，黃正林.高壓容器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4] 余偉煒，高炳軍．ANSYS 在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京： 中國水利水電出版社， 2007.

[5] 周國發(fā),于繼凱,郭吉林.基于Isight硫化罐卡箍的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2010,32(4): 359-364.

(本文文獻(xiàn)格式：孟利宏.基于ANSYS的高壓容器的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].山東化工，2017，46(14)：146-148.)

Stress Analysis and Optimization of the High Pressure Vessel Design Based on ANSYS

MengLihong

(Sichuan Chenguang Engineering Desige Institute,Chengdu 610041,China)

Using ANSYS finite element analysis software to establish finite element model for high pressure vessel, through the model of load, the stress drawing of the main mechanical structure of high pressure vessel, the result shows that there is an obvious stress concentration phenomenon. Joint stress size has relationship with its size, the optimization mathematical model was established, the optimization design using ANSYS optimization module Design Exploration, got the stress concentration coefficient of the optimal structure size of the smallest, according to the analysis and design criteria for strength analysis, the rational solution under the condition of satisfy the stress intensity, the results show that the structure satisfies the requirement of strength, and greatly save the materials, reduce production cost.

high pressure vessel; ANSYS, stress analysis; optimal design

2017-05-15

孟利宏(1990—)，甘肅隴南人，主要從事壓力容器、非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究。

TQ053.2

A

1008-021X(2017)14-0146-03