可靠性方法在壓力容器設計中的應用分析

吳新穎 鄭嬌麗 昌敬源

摘 要：在壓力容器的設計中，有效運用可靠性方法，能夠優化設計方案的合理性。基于此，本文從可靠性設計、設計方法評估這兩個方面詳細闡述了可靠性方法在壓力容器設計中的應用，實現了對壓力容器設計措施的深入分析，希望能夠為壓力容器生產水平的發展提供助力。

關鍵詞：壓力容器;算例模型;設計參數

1 分析目的

就目前來看，化工、石油、航天等領域都需要應用承壓設備，而壓力容器作為承壓設備的核心結構，其內部設計的合理性和科學性，直接影響著各領域的生產水平，因此，工作者需要做好壓力容器的設計工作，以滿足各領域的運作發展需求。在此過程中，可靠性方法是現階段衡量設計方案可靠性的重要分析方法，設計者通過將可靠性方法應用到壓力容器的設計中，有助于尋求出更加優質的設計方法，并驗證各類設計方案的合理性，確保壓力容器可以滿足實際使用需求。為此，研究者需要針對可靠性方法在壓力容器中的應用開展分析，然后根據分析結果，協調可靠性方法的應用措施，充分發揮其在概率分析上的效用，同時，有效運用可靠性方法在處理復雜資料、數據上的優勢，深入優化設計工作的準確性和效率，促進各領域生產水平的可持續優化。

2 分析過程

2.1 在可靠性設計中的應用分析

2.1.1 基本流程設計

可靠性設計是指針對產品可靠性開展的預計、分配、技術設計等工作，因此，在壓力容器設計中，可靠性設計主要是對壓力容器可靠度的設計。在此過程中，工作者需要采用可靠性方法，來進行概率分析，以獲得壓力容器各部分的可靠度預計效果，為容器設計方案的初步制定提供依據。為此，工作者可以借助采用有限元概率設計的方式，基于可靠性方法，進行壓力容器產品的可靠度設計。該設計流程主要包含創建分析文件、初始化概率設計分析及參數、制定分析文件、定義概率設計模型、選擇設計方法及工具、啟動設計分析、擬合使用響應曲面、設計結果處理。待該流程執行完畢后，工作者即可按照最后得出的可靠度設計結果，進行壓力容器的細部設計，以保障設計方案效果得以順利達到預期。

2.1.2 設計參數構建

在可靠性方法的視域下，設計參數主要包含輸入和輸出兩種，其中輸入參數，如材料參數、幾何參數等，通常被考慮為具備一定分形式的隨機變量，以便于得出輸入參數為輸出參數所帶來的影響，因此，在同一概率設計模型中，工作者可以將一個或多個輸入參數看成隨機變量，并且這些隨機變量之間，可以具備一定的相關性，也可以完全獨立，但如果情況不同，那么輸出參數肯定會受到不同的影響，由此可見，只要工作者能夠設置一個正確的輸入變量分布形式，那么此時得出的輸出變量分布，即可被認定為可信賴的。而這種基于可靠性方法構建的設計參數，相較于常規模式下，僅依賴于安全系數說明的設計參數，顯然更加準確。

2.1.3 取樣

在可靠性方法的應用中，每次對設計方案的驗證都需要使用不同的輸入變量組合，然后最終得出相應的輸出變量。因此，在實際取樣操作中，工作者通常會采用響應面法、隨機模擬法兩種取樣方式。其中響應面法主要用于并行計算，借助該方法所獲得的采樣點，能夠預先定義與精準控制響應數值的近似度以及擬合系數表示的近似函數，并且支持用自定義取樣形式，同時，所需循環次數也比隨機模擬法要少。在隨機模擬法中，系統需要先將隨機變量代入到功能函數中，然后得出一個函數值，如果該函數值≤0，則系統就會記錄一次失敗實現，若該函數值≥0，就不計入，并認定計算完成一次，并產生下一個隨機數，重復上述計算過程，直到完成設定的試驗次數，此時，失效概率可以表示為代數：

其中g（x）為功能函數、n為既定計算次數、k為此次計算次數位置。在可靠性方法應用中，人們發現這種方法的得出的結構可靠度具有較高的精度，能夠更好地發揮可靠方法的優勢，因此，現階段隨機模擬法已經成為了一種較為廣泛的可靠度計算方法。

2.2 在設計方法評估中的應用分析

2.2.1 算例模型

在設計方法上，工作者利用可靠性方法，可以衡量各類設計方法的可靠度，以選擇合理的設計方法，來進行壓力容器設計，以保障設計方案的合理性與科學性。為此，研究者為了實現對可靠性方法應用的深入分析，采用了現階段常用的三種確定性設計方法，即應力分類法、彈性下限極限法、極限荷載分析法分別進行了壓力容器設計，然后基于這三種設計方法所得出的設計方案，進行了可靠度分析，具體分析了可靠度方法在壓力容器設計中的應用。在此過程中，研究者需要在進行確定性設計之前，建立算例模型，為后續的設計環節提供依據。在算例模型構建中，研究者利用了軸對稱的建模方式，構建了一個結構相對簡單的球形容器，并設此次設計的壓力容器內徑Ri為50mm、壁厚t為10mm，然后截取了容器的1/4進行建模，設其中的楊氏模量E為212000MPa、屈服強度Sy為344.75MPa、泊松比V為0.3。之后，研究者向其表面均勻施加了10MPa的壓力，對模型兩端節點設置了對稱約束，并采用軸對稱的方式，來構建算例模型，同時，不考慮溫度因素，僅考慮塑性垮塌時效模式，然后將許用應力，設置為2/3的材料屈服強度[1]。

2.2.2 確定性設計

在此次研究中，研究者采用了應力分類法、彈性下限極限法、極限荷載分析法，這三種方法的計算結果如表1。在此過程中，研究者均采用了1.5的安全系數，并通過上述方法得出了該球形容器需用荷載，分別為84.48MPa、76.64MPa、83.625MPa。

2.2.3 設計方法可靠性評估

在可靠性評估中，研究者需要建立一個可靠性方法模型，然后向模型中輸入屈服強度、幾何尺寸、楊氏模量等材料參數，以及特征值和變量分布函數。在此過程中，只考慮三種方法所對應的輸入變量之間不存在關聯，且相互獨立，因此，在實際操作中，研究者需要將輸入變量關系系數設置為0。此外，在此次評估中，研究者均采用了隨機變量模擬法，并使用上述這三種方法，進行了500次的設計驗證，最后得出了評估比較結果，如表2。

3 結果分析

根據上述評估結果，可以直觀地看出，AME方法最優，其次為LIMIT，最后為DBA-L。在此過程中，研究者發現，LIMIT的許用荷載方差最小，ASME計算結果方差最大，同時，LIMT與ASME的計算值偏差均為負值，由此可以看出其保守效果較低，而DBA-LD的偏差值為正，說明其具備較好的保守性。之后，研究者采用了敏感度分析法，來驗證可靠性方法評估結果，發現通過可靠性方法得出的評估結果比較準確[2]。

4 結論

綜上所述，基于可靠性方法的壓力容器設計，能夠增強設計方案的可靠性。經過上述分析可知，可靠性方法無論是在可靠度設計，還是具體的壓力容器參數設計中，都呈現出了比較優質的應用效果，因此，工作者將該方法用于壓力容器的設計者中，能夠促進設計工作的優化發展。

參考文獻：

[1]臧財寶.可靠性方法在壓力容器設計中的應用[J].現代鹽化工，2020，47（03）：55-56.

[2]孫小虎.可靠性方法在壓力容器設計中的應用研究[J].山東工業技術，2018（15）：64.