基于ANSYS的壓力容器壁厚優化設計

陳加齊

（浙江華科化工設備有限公司，浙江杭州 310000）

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基于ANSYS的壓力容器壁厚優化設計

陳加齊

（浙江華科化工設備有限公司，浙江杭州 310000）

摘 要：利用大型有限元分析軟件ANSY對壓力容器進行壁厚分析設計，優化容器壁厚合理控制材料的使用成本，提高壓力容器整體結構的載荷能力，可以實現最佳的優化設計目的，將從ANSYS這種有限元分析的軟件入手，對于壓力容器的壁厚的優化方案進行一定的探討，以供廣大同僚參考交流使用。

關鍵詞：ANSYS；壓力容器；優化設計

隨著我國工業水平的不斷發展，壓力容器的使用逐漸在越來越多的機械，石油化工的行業推廣開來，并且趨于更加大型化、承壓要求更高、結構滿足更加復雜的工業需要，其設計合理性直接關系到制造企業的效益。傳統的設計方法，設計人員主要考慮加強壁厚而承壓能力，未能達到在具體復雜的承壓環境下進行綜合的優化設計，在安全使用的情況下充分發揮材料的性能，從另外一個方面說，做好壓力容器的優化設計可以最大限度地增強容器在使用中的安全性。

1 概述ANSYS有限元分析

利用有限元分析實際上是對壓力容器所受的應力進行分析，其主要的目的是為了驗證壓力容器承受的應力水平在材料所能夠承受許用應力范圍。簡歷壓力容器模型，考慮所有的載荷情況并將適當的載荷施加到容器上，最大限度的模擬真實的應力水平，是有限元分析的最為重要的一步，因此需要壓力容器的參數以及其模型建立的方法進行探討。

工業的蓬勃發展盡管給我國的國民經濟帶來了許多好處，但是從某種程度上來說，也加深了我國的壓力容器制造的難度。在新的工業形勢下，傳統的壓力加工制造的方案不再滿足于當今時代的發展需要，需要研究新的工業設計和加工的方案。

壓力容器的存在，消除了我國傳統工業系統上存在的壓力不穩定，壓力資源浪費的現象，并且增大了壓力資源的利用率。鑒于壓力容器的在工業事業上的優越性，因此壓力容器被廣泛應用到我國的各個地區的工業事業中。壓力容器的應用，在一定程度上保證了我國工業設計的穩定性。并且，最為關鍵的是，壓力容器降低了工業線路斷裂和掉落的可能性，降低了發生壓力事故的可能性。

2 壓力容器壁厚優化設計的內容

隨著工業的快速發展，壓力容器的結構設計的內容也在不斷地完善著，以適應我國日益嚴峻的用壓形勢。以下筆者將從壓力容器設計的各個方面出發，探討壓力容器涉及的一般內容。

2.1 保護設置

由于壓力容器輸送的壓力往往很大，因此在傳輸過程中存在著一定的安全隱患。并且，壓力容器上為了保證一定的壓力輸出，壓力工程師經常會在壓力容器上安裝較多的放壓設施，這就更加使得壓力容器的工業的安全性面臨著很大的問題，因此做好壓力容器的保護設施是十分必要的。傳統上的保護指的就是對壓力容器上的放壓設施進行的保護。壓力容器在正常工業時，經常會出現雷雨的天氣，這種天氣極易導致壓力容器出現各種安全的故障。并且由于種種的原因，壓力容器經常需要在超負荷的情況下進行工作，這就更加為壓力容器的保護帶來不便。

壓力容器的結構在一般來說采用的是多回工業線路的結構，這種結構有著一個很大的特點，那就是工業線路的絕緣子數量繁多，增大了工業線路進行檢修的難度，并且壓力容器架設的高度也給故障的檢修工作帶來極大的難度。雖然如此，這種同塔多回路的工業結構雖然存在著一定的弊端，但是又有著極大的優越性。首先，同塔多回路的工業結構可以增強壓力容器應對大風，陣雨等惡劣的工作環境的能力。由于工業線路較為密集，因此其承受壓壓的極限也比傳統的工業結構多了30%左右。為了降低這種工業結構存在的弊端，需要對于導線的水平間距進行一定的延長，以有利于壓力容器保護結構的設置。

2.2 容器壁身設計

由于壓力容器是一項對于工業結構要求較高的設計工程，因此需要對于設計方案進行合理的探究。不同于傳統的只采用單一線路的工業工程，壓力容器在實際工作中需要承受較高的風壓，還有由于工業線路的交錯復雜加在壓力容器上的壓場的壓力，然而，壁身的重量也對于工業線路的工業效率有著一定的影響。在大型設施的壓力防護的設計中，采用的重要工程與安全系數結合起來的做法會有效提升壓力傳輸的效率，因此，壓力容器的壁身設計也可以仿照此種做法來加強壓力容器工業的穩定性。

為了進一步減少壁身的重量對于工業產生的影響，加強壁身應對雷雨天氣的能力。需要將壁身進行一定的加固設計，考慮到這個方面，許多的壓力工程師在壁身的設計上經常采用高強度的鋼材來增加壁身的承載力。另外，對壁身進行一定的鋼管結構的改造也可以在較大程度上提高壁身的承重。然而，僅僅確定壓力容器的結構設計方案是遠遠不夠的，還需要施工人員在實際施工時仔細考察相應的施工環境，按照相關的壓力工程的標準進行一定的施工，以在最大程度上降低安全系數，提高壓力容器運行的可靠性。

3 壓力容器的壁厚優化設計

由于我國壓力容器的結構設計在實際應用中存在著諸多的問題，其工業的質量仍需要通過一定的手段加以提高。以下將探討壓力容器的結構優化設計的要點。3.1 增強壓力容器的防雷能力

圖1 優化設計流程

表1 反應器優化前結構參數表 mm

考慮到壓力容器是一項大型的工業設計工程，如果在其實際運行中出現較強的雷壓很有可能會使壓力容器上的工業線路造成破壞，極有可能導致嚴重的安全事故，同時也對工業事業的經濟帶來不可估量的損失。為了避免電壓的影響，壓力設計人員需要通過加設一定數量的地線來降低壓力容器的整體壓位，使得壓力容器能夠長時間高效穩定地運行。

表2 反應器優化前后尺寸對比表

3.2 合理選用的容器鋼材

任何一種壓力容器的結構設計方案都要不可避免地考慮到材料對于載荷承載能力，然而選用合適的壓力容器的鋼材需要綜合考慮各項因素。壓力容器對于材料質量的要求較高，合理設計壁厚滿足設備承載能力，發揮材料最佳的性能。

3.3 優化壓力容器壁厚

優化容器壁厚的主要指的是有限元軟件分析容器受力情況，整體應力水平和局部高應力情況。對所要分析的壓力容器建立模型，通過ansys網格化細分模型，施加載荷，軟件求解器進行數值運算，分析容器承受的應力情況、位移水平和各部位局部應力情況，達到進一步合理優化容器壁厚。

4 結束語

綜上所述，深入研究壓力容器的結構優化的設計方案可以在極大程度上提高工業建設的穩定性，并且從基于ANSYS的有限元的設計方法，對于壓力容器所能夠承受的載荷進行分析優化，能夠在一定程度上保證壓力容器的安全使用。

參考文獻

［1］ 朱愛華，柴國鐘.應用有限元分析軟件進行優化設計［J］.煤礦機械，2004，（1）：15-17.

［2］ 柯常忠，索海波.ANSYS優化技術在結構設計中的應用［J］.煤礦機械，2005，（1）：9-11.

Optimization Design of Wall Thickness of Pressure Vessel Based on ANSYS

Chen Jia-qi

Abstract：By using finite element analysis software ANSY pressure vessel wall thickness analysis and design， optimization of the wall thickness of the container using the reasonable control of material costs， improve load capacity of the overall structure of the pressure vessel can be designed to achieve the best optimization， from ANSYS this finite element analysis software start to explore some of the pressure vessel wall thickness optimization scheme， the majority of my colleagues for reference exchange use.

Key words：ANSYS；pressure vessel；optimization design

中圖分類號：TH49

文獻標志碼：B

文章編號：1003–6490（2016）02–0076–02

收稿日期：2016–01–22

作者簡介：陳加齊（1987—），男，福建福鼎人，助理工程師，主要研究方向為傳熱設備。