煤氣罐的應力分析與優化設計研究

葉煜松，尹飛鴻

(1. 常州工學院 機電工程學院，江蘇 常州 213002; 2. 常州市特種加工重點實驗室，江蘇 常州 213002 )

煤氣罐的應力分析與優化設計研究

葉煜松1，尹飛鴻2

(1. 常州工學院 機電工程學院，江蘇 常州 213002; 2. 常州市特種加工重點實驗室，江蘇 常州 213002 )

摘要：對煤氣罐進行了設計計算，建立了三維模型，運用有限元分析軟件對煤氣罐施加工作壓力，得到了工作狀態下煤氣罐的應力值。根據應力分析結果對煤氣罐的壁厚進行了優化分析，得到了設計序列、體積與迭代次數的關系曲線、厚度與迭代次數的關系曲線、最大應力與迭代次數的關系曲線,為其他壓力容器的應力分析和優化設計提供了思路。

關鍵詞：煤氣罐；應力分析；優化設計；有限元分析

Research on Stress Analysis and Optimization Design of Pressure Vessel

YE Yusong1, YIN Feihong2

(1. Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002, China;

2. Changzhou Key Laboratory of Nontraditional Machining，Changzhou 213002, China)

Abstract:In the paper, the gas tank is designed and calculated, the three-dimensional model is established, and the stress value in the working state is obtained by of the finite element analysis software. The optimized design of wall thickness is completed according to the results of stress analysis, the design procedure, relationship curve of the number of iterations, volume, thickness and maximum stress are gotten. The result of design can provide a method for stress analysis and optimization design for the other pressure container.

Keywords:gas tank; stress analysis; optimized design; finite element analysis

0引言

隨著原材料的制造技術、生產成本及使用過程控制手段的提高，機械設備一直采用輕量化技術優化結構、優選材料、優選加工方法，使其零部件和整機質量減輕，達到提高性能、節能減排、降低作業成本等綜合效益的目的。壓力容器在工程中用途廣泛，數量眾多，容器內介質復雜，且多數介質具有易燃易爆的特點，再加上工作環境惡劣，常有爆炸事故發生。所以，在保證受壓元件有足夠的強度及必要的安全裕度前提下，正確設計壓力容器，是壓力容器制造、使用的一個重要前提。現以YSP-35.5型鋼制的移動式煤氣罐為例，進行壓力容器的應力分析與優化設計研究[1]。

1煤氣罐瓶體的設計計算

煤氣罐主要是由底座、瓶體、閥座、護罩、瓶閥等部分組成，如圖1所示。其中瓶體是構成煤氣罐安全的主要部分。按照GB5842-1996《液化石油氣鋼瓶》的標準，對YSP-35.5鋼瓶瓶體設計計算如下：

圖1　煤氣罐簡易模型

鋼瓶體的壁厚S

筒體計算壁厚S01：

式中：Di為鋼瓶內徑(mm)，Ph為水壓試壓壓力(MPa)，σ為材料屈服強度(MPa)，ξ為系數。

封頭計算壁厚S02：

因考慮到鋼板在拉伸時的工藝減薄量以及瓶體的厚度偏差，初選鋼板的厚度為3.0mm。

鋼板的厚度偏差：△1=-0.21mm

拉伸時的減薄量：△2=3.0×10%=0.3mm

所以：S=S01+△1+△2=2.48+0.21+0.3=2.99mm

即選定剛瓶體板材的名義壁厚S=3.0mm

剛瓶體的剛度經驗校核：

故壁厚為2.5mm。

2煤氣罐壁厚的靜態分析

2.1有限元模型的建立

因為煤氣罐的外形是軸對稱的，而且上下也是對稱的，為了方便研究，取其1/4作為研究對象。其設計參數為：煤氣罐的內半徑R=157mm，煤氣罐瓶體的壁厚t=4mm，煤氣罐筒體高度L=184.25mm，設計壓力P1=2.16MPa，煤氣罐材料的屈服極限σ=295MPa，煤氣罐材料的許用應力P2= 96.66MPa，煤氣罐材料的安全系數S=1.5。單元類型Quad 8node82，設置為軸對稱結構。材料的彈性模量E=2e5MPa，材料的泊松比Nu=0.3，1/4有限元模型如圖2所示。最終劃分了832個單元，3057個節點。分析時選擇筒體底端各節點施加y方向約束，同時在所選節點上施加x和y方向軸對稱約束，在容器內壁的節點上施加0.6MPa的工作壓力[2-4]。

圖2　有限元網格模型

2.2靜力分析結果

煤氣罐工作壓力下的變形結果如圖3所示。由煤氣罐壁厚的變形結果圖可以看出，瓶體的圓弧處變形較大，內部的壓力將瓶體向外擴張，由圖3可以得出，在瓶體頂部的撓度最大，其最大撓度為0.224836mm。

圖3　煤氣罐壁的變形

煤氣罐節點的von Mises應力分布結果如圖4所示。由圖4可以看出最大應力出現在瓶體的圓弧處，大小為131.042MPa，最小應力出現在最大應力下方，圓弧和直線的交界處，大小為21.12MPa。

圖4　煤氣罐的應力云圖

外壁上節點路徑上的von mises seqv分析結果如圖5所示。

圖5　應力等值線圖

由應力等值圖可以看出，沿著該路徑應力逐漸呈下降趨勢，然后突然升高，最后趨于穩定。因為最大應力出現在煤氣罐的頂部，也就是路徑的起始點，順著路徑應力開始逐漸減小，在路徑中點附近到達最小值，之后迅速上升達到一個峰值，然后逐漸下降，最后趨于平穩。

對稱擴展后查看節點的應力分布，結果如圖6所示的應力分布圖。

圖6　應力云圖

3煤氣罐壁厚優化設計

現代化的設計工作已不再是過去那種憑借經驗或直觀判斷來確定結構方案，也不是像過去“安全壽命可行設計”方法那樣，而是借助計算機，應用一些精確度高的力學數值分析方法(如有限元法等)進行分析計算，并從大量的可行設計方案中尋找出一種最優的設計方案，從而實現用理論設計代替經驗設計，用精確計算代替近似計算，用優化設計代替一般的安全壽命的可行性設計。優化時取煤氣罐瓶體的壁厚為優化設計變量，其值取1mm～5mm，優化狀態變量為優化分析時的最大應力，目標函數為煤氣罐的總體積，采用一階優化方法，最大迭代次數取28。所有設計序列如圖7所示，最佳優化結果為最大應力為197.47MPa，壁厚為2.5348mm，體積為0.88789E6mm3[5]。

圖7　所有設計序列

體積與迭代次數的關系曲線如圖8所示。

圖8　體積與迭代次數的關系曲線

由圖8可見，開始時隨著迭代次數的增加目標函數VTOT迅速下降，之后緩慢下降并且在一定范圍內逐漸趨于穩定，由此可以看出目標函數VTOT隨著迭代次數的增加而向最佳方案逼近。

厚度與迭代次數的關系曲線如圖9所示，最大應力與迭代次數的關系曲線如圖10所示。

由圖9可見，開始時狀態變量T隨著迭代次數的增加迅速下降，之后在規定范圍內逐漸趨于穩定。由圖10所示，開始時狀態變量YINGLI隨著迭代次數的增加迅速上升，之后在一定區間內逐漸趨于穩定。由狀態變量以及目標函數與迭代次數的關系曲線圖可以發現，迭代的次數越多結果越穩定。

圖9　厚度與迭代次數的關系

圖10　最大應力與迭代次數的關系

4結語

采用有限元分析軟件ANSYS對煤氣罐壁厚進行優化分析，最優時的最大應力為197.47MPa，目標函數T下降了大概36.8%，有明顯的優化效果，在保證安全的前提下大大地降低了生產成本，設計結果可用于實際生產實際。

參考文獻:

[1] 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.

[2] 尹飛鴻. 有限元法基本原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社,2010.

[3] 文國治,李正良. 結構分析中的有限元法[M]. 武漢:武漢理工大學出版社,2010.

[4] 張朝輝. ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析[M]. 北京：機械工業出版，2008.

[5] 王慶五, 左昉,胡仁喜，等. ANSYS10.0機械設計高級應用實例(第2版)[M]. 北京：機械工業出版社，2006.115.

收稿日期：2014-01-02

中圖分類號：TH123+.4

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0056-03

作者簡介：葉煜松(1968-)，男，江蘇常州人，講師，主要從事機械工裝結構優化設計與有限元分析研究。

基金項目：國家863計劃項目SQ2008AA10XK1468859)；江蘇省高校自然科學基金項目 (08KJD460002)