基于虛擬樣機技術在壓力容器中的仿真研究

宋來兵 馮哲 王作旺

山東陽谷祥光銅業有限公司，山東陽谷，252300

基于虛擬樣機技術在壓力容器中的仿真研究

宋來兵 馮哲 王作旺

山東陽谷祥光銅業有限公司，山東陽谷，252300

本文首先以基本設計理論為基礎建立了壓力容器的三維模型。然后模擬了現實工作狀況，對壓力容器進行了靜應力分析。最后，在外部載荷一定的條件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技術對壓力容器的壁厚進行了優化設計。

虛擬樣機；壓力容器；有限元

1 緒論

虛擬樣機技術是20 世紀末發展起來的一門新技術, 在功能方面虛擬樣機與物理樣機具有一定的相似度。虛擬樣機技術在虛擬條件下即可對產品進行構思、設計、制造、試驗與分析；虛擬樣機通過數學模型表示了物理樣機中各零件之間的幾何關系、連接關系、運動特性等。利用虛擬樣機技術進行機械系統仿真, 可以獲得壓力容器的多種性能指標設計方案。從而，有效地減少了機械產品的研發周期,提高了壓力容器的設計質量。

壓力容器是工業生產的載體，在各個領域起著重要作用。壓力容器在工作過程中不僅要承受一定壓力，而且且工作環境常常處于高溫、真空、腐蝕等。當設計不合理，壓力容器中應力集中部位容易發生裂紋現象。在工作過程中裂紋將逐步擴大，最終導致容器發生爆炸、燃燒事故等。

2 壓力容器模型的建立

該壓力容器為常壓容器，其規格為φ2500mm×3000mm，管口的連接尺寸標準、連接面形式、用途如表1所示。

表1 管口尺寸

該壓力容器中的工作介質有水、鹽酸、皂液、乳化劑等。容器中的混合液經HJ弧葉槳式攪拌器攪拌均勻后由泵從N07口輸送到壓力管道中。壓力容器的管口方位如圖1所示，利用solidworks建立的三維模型如圖2所示。

圖1 管口方位

圖2 三維模型

3 有限元分析

有限元分析作為一種先進的分析手段,目前已廣泛應用于壓力容器的應力分析與設計中，有限元法的實質是把連續體用有限個單元體來代替,從而把連續體的分析轉化為單元體分析。本文利用Solidworks Simulation為設計的壓力容器進行有限元分析，評估了壓力容器承受載荷條件的能力。壓力容器各部分采用的材料特性圖表2所示。

表2 材料特性

3.1 建立約束

對壓力容器進行靜態分析，首先要為加載約束。該容器屬于固定式壓力容器，因此選擇四塊墊板為固定幾何體，如圖3所示。

圖3 固體幾何體

3.2 施加載荷

壓力容器在工作過程中的載荷如表3所示。

表3 解算器信息

3.3 網格劃分

多區域網格的劃分將會影響計算結果精度和計算規模大小。本文利用Solidworks Simulation自帶的工具進行殼網格劃分。壓力容器的網格劃分如圖5所示，解算器信息如表4所示

圖5 網格劃分

表4 解算器信息

4 優化設計

4.1 有限元結果分析

從圖 3 可以看出，在給定條件下，Von Mises等效應力最大值出現在筒體和上端法蘭處，為 1.520×108N/m2，小于材料的屈服極限，是安全的。應力最小值分別出現在橢圓形封頭和支撐立柱部分，其值為 2.0×102N/m2，安全性較高、材料富裕量較大。最大位移量發生在筒體和上端法蘭部分，其最大值為8.782×10-1mm，最小位移量為1.0×10-3mm。應力、位移、應變的比較如圖6所示。

圖6 應力位移應變的比較

4.2 優化設計

設計方案往往不是唯一的，機械優化設計是從多個可行的設計方案中尋找最優方案。通過Solidworks Simulation有限元分析技術來尋找最佳解決方案，以最低的成本。

若試將原設計中的筒體、封頭壁厚改為6mm，其余不變。網格劃分運行后，得出最大應力數值為1.650×108N/m2，最小應力為5.109×102N/m2。最大位移量發生在筒體和上端法蘭部分，其最大值為1.121×101mm，最小位移量為1.0×10-3mm，應力、位移、應變的比較如圖7所示。

圖7 應力、位移、應變比較圖

修改后的設計既可以節約材料，又符合壓力容器的工作狀態。

5 結論

本文首先以基本設計理論為基礎建立了壓力容器的三維模型；然后模擬了現實工作狀況，對壓力容器進行了靜應力分析；最后，在外部載荷一定的條件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技術對壓力容器的壁厚進行了優化設計。該分析為同類型壓力容器的設計提供了一定理論依據。

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宋來兵/1985年生/男/山東聊城人/學士/研究方向為機械設計、計算機輔助設計在機械方面的應用