基于ANSYS的壓力容器的應力分析與壁厚優化設計

沈峰黃懿 陸建國

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院)

壓力容器

基于ANSYS的壓力容器的應力分析與壁厚優化設計

沈峰*黃懿 陸建國

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院)

應用ANSYS有限元分析軟件對一緩沖器壓力容器進行應力分析與壁厚優化設計。在滿足應力強度的條件下得到合理方案，容器質量減小了17.5%，球形封頭壁厚減小了16.7%，優化結果明顯。

壓力容器應力分析優化設計壁厚ANSYS緩沖器

0 前言

壓力容器是石油化工、機械、輕工、食品等多種工業領域中廣泛使用的承壓容器設備。傳統的壓力容器設計采用規則設計[1]，即依據標準GB 150《鋼制壓力容器》[2]進行設計。為了保證容器的安全性，設計者總是盡量增大壁厚，以增強容器的承壓能力，得出的結構強度結果比較保守，這就限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用。隨著分析設計[1，3]概念的提出，設計者越來越多地對壓力容器的結構進行優化。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 壓力容器參數及應力云圖

1.1 工作條件和結構參數

圖1為一緩沖器，其球形封頭與接管連接區結構如圖2所示。整個緩沖器封頭材料為16MnR，接管材料為16Mn，其參數見表1。設計壓力p=32 MPa，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ＝0.3。壁厚參考范圍t1=30～39 mm，t2=15～24 mm，許用應力[σ]=250 MPa。

1.2 參數化建模

根據結構特性和載荷特性，采用軸對稱力學模型進行分析，由關鍵點生成面，建立二維模型，結構采用ANSYS軟件提供的8個節點的軸對稱單元PLANE 82劃分網格，有限元模型如圖3所示。

圖1 緩沖器

圖2 緩沖器結構

表1 緩沖器結構參數

1.3 施加載荷及應力分布

有限元分析的目的是了解模型對外部施加載荷的響應。正確地識別和定義載荷，并有效地實現仿真加載，是運用有限元分析工具的關鍵一步。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32 MPa，球形封頭端部對稱面施加對稱約束。接管端部所受軸向拉應力為：

求解得應力結果如圖5所示。由應力云圖可見，最大應力強度出現在封頭與接管連接處接管內側，最大應力值為228.886 MPa,接管外側與封頭內側連接的不連續幾何部分也出現很大的應力值。

圖3 壓力容器有限元模型

圖4 約束和加載

圖5 優化前模型應力云圖

2 優化設計

2.1 參數的優化

優化問題的基本原理是建立優化模型，運用各種優化方法，在滿足設計要求的條件下進行迭代計算，求得目標函數的極值，得到最優設計方案。ANSYS程序提供了兩種優化方法，這兩種優化方法可以處理絕大多數的優化問題[4]。零階方法是一個很完善的處理方法，能有效地處理大多數的工程問題。一階方法基于目標函數對設計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優化分析。

數學模型由目標函數與約束條件構成。根據圖2所顯示的結構，選定容器的壁厚t1、t2作為設計變量，σ為優化設計中結構的等效應力強度，并作為約束條件，壓力容器質量WT為目標函數。綜上所述，可得壓力容器結構優化設計的數學模型為：

優化設計時最大迭代次數20次。

2.2 優化結果

通過上述優化方法進行參數優化設計，并且得出相應的優化結果。圖6為設計變量壁厚t1、t2隨迭代次數的變化規律，圖7為狀態變量最大應力SMAX隨迭代次數的變化規律，圖8為目標函數質量WT隨迭代次數的變化規律。

圖6 設計變量t1、t2隨迭代次數的變化規律

圖7 狀態變量SMAX隨迭代次數的變化規律

2.3 優化后的容器各參數

優化前后容器的主要參數如表2所示。從優化前后各參數的變化可看出，球形封頭壁厚t1從36 mm降至30mm，減薄了約16.7%，接管壁厚t2從22 mm降至21.768 mm，目標函數WT從132.58 g降至109.37g，質量減少了約17.5%，優化效果明顯。

圖8 目標函數WT隨迭代次數的變化規律

表2 優化前后主要參數

3 結論

（1）本文采用ANSYS軟件對壓力容器結構在滿足安全性的前提下進行質量最小的優化設計，封頭壁厚t1減薄了約16.7%，目標函數WT減少了約17.5%，得出了緩沖器封頭和接管壁厚最合理的尺寸，既節省了大量工程材料，又減少了制造成本。

（2）由圖6至圖8可以看出，各狀態變量及目標函數隨迭代次數的增加向最佳設計方案逼近，且逼近效果良好，由此也印證了有限元分析技術在優化設計中的應用價值。摒棄傳統的結構設計的被動校核方法，主動地在可行域內尋求最佳設計方案，這就可以在很大程度上減少設計成本、縮短設計周期，使產品設計得更合理。

[1] 鄭津洋，董其伍，桑芝富．過程設備設計［M］．北京：化學工業出版社，2001．

[2] 國家技術監督局．GB 150—1998.鋼制壓力容器［S］．北京：中國標準出版社，1998．

[3] 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.

[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．

Stress Analysis and Thickness Optimal Design of Pressure Vessel Based on ANSYS

Shen Feng Huang Yi Lu Jianguo

The finite element analysis software ANSYS was applied in stress analysis and thickness optimal design of buffer pressure vessel.The appropriate scheme was obtained while meeting the demand of stress intensity.Optimization result was remarkable that the weight of the pressure vessel reducde about 17.5%while the thickness of spherical head dropped by 16.7%.

Pressure vessel;Stress analysis;Optimal design;Thickness;ANSYS;Buffer

TH 123

*沈峰，男，1983年生，碩士。蘇州市，215400。

2012-03-14）