基于 ANSYS冷高壓分離器結構優化設計

秦增偉

(遼河石油勘探局油田建設工程一公司金屬結構安裝工程公司)

基于 ANSYS冷高壓分離器結構優化設計

秦增偉＊

(遼河石油勘探局油田建設工程一公司金屬結構安裝工程公司)

對冷高壓分離器球形封頭與筒體連接區建立了基于分析設計的優化數學模型,利用有限元程序ANSYS提供的參數化設計語言 APDL及優化模塊 OPT,建立了參數化有限元分析模型并進行了優化計算,實現了壓力容器不連續區分析設計意義上的優化設計。

冷高壓分離器 不連續區 ANSYS 優化設計 壓力容器

冷高壓分離器已經被廣泛地應用于國內外加氫裂化裝置中。冷高壓分離器上一般都采用半球形封頭 (如圖 1所示)。由于半球形封頭受力均勻,所以封頭厚度與相連筒體的厚度相差比較大。因此,筒體與封頭之間必然存在過渡區域,通常采用錐形過渡段進行連接[1、2]。而錐形過渡段則通過削薄筒體端部的方法獲得。由于結構不連續,使得該過渡區域成為高壓容器的高應力區之一。利用 ANSYS的有限元參數化建模以及優化模塊可以對壓力容器類似不連續區進行應力分析及優化設計,使不連續區的應力水平達到最低。而評判不連續應力水平時引入分析設計中應力評定的觀點,則可以實現基于分析設計的結構優化。

圖1 裂化反應產物冷高壓分離器

1 ANSYS優化理論

有限元數值計算技術與優化技術相結合的ANSYS優化設計,主要依靠其參數化設計語言 APDL(ANSYS Parametric Design Language)及優化模塊OPT(Optimization Tools)來實現[3]。

主要步驟如下:

(1)生成循環所用的分析文件。該文件必須包括整個分析的過程,而且必須包含參數化建立模型、求解及提取狀態函數變量和目標函數變量幾項。進入OPT,指定分析文件。

(2)聲明優化變量。

(3)選擇優化工具或優化方法。

(4)指定優化循環控制方式。

(5)進行優化分析。

(6)查看設計序列結果。

應該指出的是,實現上述有限元數值計算與優化相結合的一體化設計的關鍵在于第一步。從模型建立到網格劃分,從邊界條件的施加到求解,從應力分析路徑選定到各類應力數據提取以及各應力水平系數的計算,都必須完全參數化,只有完全參數化的分析文件才能與優化相結合。而建立完全參數化分析文件的關鍵則在于靈活使用 ANSYS程序提供的選擇集命令與數據庫參數化提取命令[4]。

2 優化設計實例

某煉廠裂化反應產物冷高壓分離器 (見圖 1),設計壓力 P=7.5 MPa,設計溫度 t=60℃,材料16MnR。筒體內半徑 R1=700 mm,壁厚δ1=40 mm;封頭的內半徑 R2=706 mm,厚度δ2=28 mm。在設計溫度下,筒體的許用應力[S]1=157 MPa,封頭的許用應力[S]2=163 MPa。

優化設計過渡段削邊長度L,使過渡區最大應力水平系數最低。因主要討論封頭與筒體過渡區應力狀況,故忽略封頭上其它結構,建立如圖 2所示的有限元分析模型。

圖2 封頭與筒體過渡區有限元網格劃分模型

圖3 封頭與筒體過渡區應力有限元分析模型

有限元計算采用 ANSYS提供的 8節點四邊形單元 PLANE82對封頭與筒體進行過渡有限元網格劃分。L=92mm時計算結果如圖3所示。由圖3可見,最大應力強度出現在封頭與過渡區連接線的內壁。為此將封頭與過渡區連接線取為第 1條應力處理線,同時將筒體上封頭切線位置取為第 2條應力處理線 (見圖 4)。

以削邊長度L為設計變量,根據文獻 [5],有:

L的上限應根據內壁可削邊長度 L1及外壁與封頭相切原則所確定的外壁削邊長度 L2來確定 (見圖 3),并取較小者。

式中 R1、R2——分別為圓柱殼和球殼內徑δ1、δ2——分別為圓柱殼和球殼厚度

圖4 球形封頭與筒體連接區結構

狀態參數:

式中 α——錐形段斜邊傾斜角

R2——球殼內半徑

優化任務是使球殼和錐形過渡區的應力集中系數最小,所以目標函數為:

其中,K為應力集中系數,Smax(L)為球殼和圓殼通過線性變厚度連接結構的最大當量應力(按第四強度理論),S=PR2/(2t2)為球殼部分的當量膜應力。

約束條件:

應用 First-Order優化方法對模型進行優化,并對優化結果進行分析,顯示目標函數變化規律(見圖 5)及最佳優化序列 (見表 1)。結果表明,當L=68.907 mm,α =90°-5.6011°=84.3989°時,結構應力集中系數最小,為最佳結構尺寸。

表1 最佳優化序列

圖5 一階優化目標函數變化規律曲線

3 結語

在傳統結構設計的基礎上,利用有限元程序ANSYS提供的參數化設計語言APDL及優化模塊OPT對冷高壓分離器球殼與筒體不連續段的結構尺寸進行優化設計,優化后可使不連續區應力集中系數最小,為高壓容器此類不連續區的安全運行提供了必要的保障。

[1] GB 150-1998.鋼制壓力容器 [S].北京:國家標準監督局,1998.

[2] 王志文.化工容器設計[M].北京:化學工業出版社,1998.

[3] 余偉煒,高炳軍,等 .ANSYS在機械與化工裝備中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 劉國慶,楊慶東 .ANSYS工程應用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[5] JB 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設計標準 [S].1995.

＊秦增偉,男,1980年 1月生,工程師。盤錦市,124120。

2009-12-02)