基于ANSYS的高壓容器的應力分析與優化設計

孟利宏

(四川晨光工程設計院, 四川 成都 610041)

基于ANSYS的高壓容器的應力分析與優化設計

孟利宏

(四川晨光工程設計院, 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構的應力分布圖,結果顯示連接處存在明顯的應力集中現象。連接處的應力大小與其尺寸有一定關系,建立了優化數學模型,利用ANSYS的優化模塊Design Exploration進行了優化設計,得到了使應力集中系數最小的最優結構尺寸,按分析設計標準進行強度分析, 在滿足應力強度的條件下得到合理方案，結果表明結構滿足強度要求，而且大大節省了材料，降低生產制造成本。

高壓容器; ANSYS; 應力分析 ;優化設計

隨著近代化工業的高速發展，高壓容器獲得愈來愈廣泛的應用，如合成甲醇工業中的高壓設備壓力為15～30MPa；合成氨工業中的高壓設備壓力為15～60MPa；合成尿素工業中的高壓設備壓力為20MPa；石油加氫工業中的高壓設備壓力為8～70MPa；油田閃蒸天然氣回收工程中高壓設備壓力為12～30MPa；乙烯氣體在超過100MPa的超高壓條件下進行聚合反應等，都是高壓設備在工業中的具體應用，然而我們常規的設計依據GB150.1～150.4《壓力容器》[1]進行設計，得出的強度結果相對較保守，容器壁厚取的相對較厚，材料浪費嚴重。隨著分析設計[2]概念的提出，設計人員越來越多的對高壓容器[3]結構進行優化。本文采用ANSYS 有限元分析軟件， 對容器各部位進行詳細的應力計算與分析， 在不降低設備安全性的前提下以容器的質量最小為目標， 通過優化設計方法給出壓力容器參數的最優組合， 從而降低了結構的厚度， 使材料得到有效的利用。

1 高壓容器參數化模型與數據分析

1.1 工作條件和結構參數

圖1為一分離器，其球形封頭與接管連接區結構如圖2 所示。整個分離器封頭材料為Q345R，接管材料為16Mn， 其參數見表1。設計壓力p=26MPa，設計溫度50℃，彈性模量E=191.6GPa，泊松比μ=0.3，許用應力[σ]=250 MPa。

1.2 參數化建模

根據結構規則，采用三維建模分析結構，采用自適應網格劃分技術使整個模型自動分配網格，充分利用該技術在模型尺寸發生突變處自動將網格細化的功能得到既能滿足分析要求，有利于計算過程的網格布局，得到節點數為202743，單元數為49533，確保分析結果收斂，有限元模型如圖3 所示。

1.3 施加載荷及應力分布

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

表1 分離器結構參數

圖1 分離器結構

圖2 高壓容器封頭與接管連接區結構

圖3 壓力容器有限元模型

圖4 約束和加載

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

圖5 優化前模型應力云圖

2 優化設計

高壓容器的設計不僅要滿足強度要求,同時還需要考慮經濟效益等因素,這使得優化設計在壓力容器中具有重要的意義。產品的優化設計可采用Design Exploration，設定參數變量和目標函數，在滿足設計要求的條件下,求得目標函數的極值,從而得到最優的設計方案。也就是在設計變量的區域內,在滿足約束條件的情況下,求取目標函數的極值問題。

2.1 參數的優化

根據圖1和圖2所顯示的結構，選定容器的壁厚t1、t2、R1作為設計變量，σ作為約束條件-滿足小于許用應力[σ]，高壓容器重量WT 為目標函數。采用一階優化方法，即通過對目標函數添加罰函數將有約束的多變量非線性規劃問題變成無約束的非線性規劃問題，以因變量對設計變量的偏導數來決定搜索方向，自動運行優化程序，在優化的每一次循環中都對模型重新劃分網格，完成優化分析[5]。綜上所述，可得壓力容器結構優化設計的數學模型為：

2.2 優化結果

通過上述優化方法進行參數優化，經多次迭加運算后得到了最終的優化結果。圖6為設計變量t1、t2和R1對目標函數的影響因子圖，從圖中可以得知：封頭壁厚t1對容器質量和最大等效應力影響最大；封頭半徑R1對器質量影響較大，但對最大等效應力影響最小；接管壁厚t2對最大等效應力影響較大，而對壁厚影響最弱。因此對于質量控制，優先考慮對t1和R1的控制；對最大等效應力，考慮對t1和t2的控制。圖7為設計變量t1、R1對容器重量WT變化的規律分布圖，從圖中可以看出：隨著t1、R1的尺寸的增大，重量出現明顯的增加：但尺寸增大了，產品的強度水平會明顯降低，安全性會得到提高，因此需要綜合考慮。圖8為設計變量t1、t2對最大等效應力變化的規律分布圖，從圖中可以看出，最大等效應力隨著t1、t2的變化，呈凹形變化，即兩端應力值較大，中間應力值較低，當t1、t2位于中間某尺寸時，等效應力值最小。經綜合分析后，當t1為28.74mm、t2=8.75mm，R1=140.37mm時，容器重量最小，重量降至34kg，σmax為234.5MPa[σ]，滿足使用要求。

圖6 設計變量對目標函數的影響因子分布圖

圖7 t1、R1對容器重量WT變化的規律分布圖

圖8 t1、t2對最大等效應力變化的規律分布圖

2.3 優化后的容器的參數

表2為優化前后參數的對比，從優化前后參數可看出：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，目標函數WT 從42.83kg 降至34Kg，質量減少了約20.6%，效果明顯。

表2 優化前后主要參數

3 結論

(1)本文采用ANSYS 軟件中的Design Exploration對壓力容器結構進行了優化設計， 將封頭重量由42.83kg 降至34Kg，目標函數減少了約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，又節省了材料成本。

(2)采用ANSYS有限元參數化建模，方便參數變量化，有利于產品結構分析，能夠較快的分析出最優方案，過程可靠，是一種高效的設計方法。

[1] 中國國家標準化管理委員會.GB150.1～150.4 壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

[2] 全國壓力容器標準化技術委員會． JB 4732-1995 鋼制壓力容器--分析設計標準[S].北京： 中國標準出版社， 1995.

[3] 丁伯明，黃正林.高壓容器[M].北京：化學工業出版社，2003.

[4] 余偉煒，高炳軍．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， 2007.

[5] 周國發,于繼凱,郭吉林.基于Isight硫化罐卡箍的結構優化設計[J].南昌大學學報(工科版)，2010,32(4): 359-364.

(本文文獻格式：孟利宏.基于ANSYS的高壓容器的應力分析與優化設計[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、非標設備的設計研究。

TQ053.2

A

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