基于有限元技術的壓力容器的設計方法

陶冶 趙軍明 陸征(青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266520)

0 引言

壓力容器，是當代工業(yè)生產中最主要的輔助操控設備，它具有基礎性、科學性、以及多元性等特征。為了確保壓力容器在日常應用中的作用得到充分發(fā)揮，除了針對設備操控的一般流程進行安全防護，也需要從容器自身設計視角上尋求防護要點，而滿足后者的實踐條件，就是要在資源設計與開發(fā)過程中進行技術因素的優(yōu)化。

1 有限元技術與壓力容器概述

1.1 有限元技術

有限元，是數學中采用求解偏微積分方程邊值問題近似解的數值技術[1]。有限元求解過程中對問題區(qū)域進行分解，每一個區(qū)域都分割為簡單的構成部分，其結構結可以稱作是有限元[2]。一般來說，有限元區(qū)間中包含了多重處理方法，它可以在眾多區(qū)域范圍之內尋找到一個合理的近似值，并進一步得到可以滿足條件的平衡值，其過程就是有限元分析形態(tài)。有限元技術在壓力容器設計中的應用等，就是典型的有限元技術運用形態(tài)。

1.2 壓力容器的作用及分類

壓力容器，是指用于盛裝氣體或者液體，能夠承載一定壓力的密閉設備，它在當代工業(yè)、民用、軍用等領域均發(fā)揮著不可忽視的作用[3]。

隨著壓力容器的應用范圍逐步拓展，壓力容器的種類也在不斷增加，結合當前設備應用的基本狀況，可將其分類方式歸納如下：

(1)應用作用劃分。壓力容器可區(qū)分為反應壓力、換熱類、分離類、以及保壓類四種；

(2)依據壓力等級劃分。容器可分為低壓、高壓、超高壓三類。

2 基于有限元技術的壓力容器設計方法

2.1 壓力容器設計宏觀概括

壓力容器設計時，應先依據壓力容器模型特點進行設計，再結合制作商的要求進行容器調節(jié)。結合當前工業(yè)生產的基本狀況，需要在整體設計與施工前對相關容器的特征進行分析：

(1)壓力容器表層可承受壓力最大值為15MPa，鋼板厚度應在2～3mm之間，壓力容器幾何大小與上限參數的乘積應≥30mm，材料日常應用過程中的最大彎曲度為345MPa，彈性模量可表示為E=206GPa，容器生產與操控的泊松比值應為μ=0.4[4]；

(2)運用有限元對鋼板參數的唯一結果進行判斷，并要對應分析滿足容器幾何大小(R1)與上限參數(H1)之間的關系，相應給予評判與綜合探討。

運用有限元分析法對壓力容器部分的基本情況進行評判和分析，首先是要明確壓力容器生產與控制的基本標準，按照要求分析壓力容器生產的基本條件。其次是做好壓力容器各個部分因素之間的關系定位，并相應評估有限元的基本標準，最終確定變值最佳應用條件。

2.2 利用有限元構建數學模型

壓力容器設計與調節(jié)的過程，主要是按照壓力容器內壁薄厚、容器大小等條件的設定，將容器壓力調控的比值調整到最大。結合以上關于壓力容器的基本情況，可將計算與分析的函數模型整合如下：V=4/3πR12(H1-R1)。為了確保壓力容器設計與計算在有限元分析時，可以將后續(xù)有限元計算值控制到最優(yōu)，一般按照壓力容器在1/4標準下進行生產操控，而此時為了保障基礎有限元設計結果，一般會選擇借助計算機公式求最小值，也就是我們所說的，壓力容器可承載壓力的最低值。壓力容器設計與開發(fā)過程中，為適應社會發(fā)展的需要，進行壓力容器計算與分析期間，容器設計人員首先設定了一個原始函數目標，又增加了一個數據計算指標，兩者運用有限元進行分析時，可依據原有函數目標對其做出正負判斷，最終即可實現目標函數參數因素的對比，進而確定壓力容器設計的數據變化空間。

比如，某工業(yè)生產技術綜合操作過程中，為確保后續(xù)記錄數據與實際生產相互對應。實際生產與操作期間，就在數據模型生產與操作部分，利用有限元對壓力容器可承載壓力的能力、以及壓力變量控制范圍等情況進行分析，本次壓力容器評定的基本模型計算集合分為概括為V(A)=[R H]7。其中“V”表示壓力容器可承載值，“R”“H”分別表示模型設計與優(yōu)化結果。對應分析后，可得到壓力容器分析的標準值，此時對應分析“A”與“R”“H”之間的關系。當H-R≥30時，表示壓力容器做功的基本狀態(tài)相對穩(wěn)定，壓力容器數學建模分析的基本狀態(tài)達到了最佳。

壓力容器借助有限元進行記錄研究時，為避免壓力生產與操作管理效果與實際不相適應的問題出現，在有限元建模研究時，一方面是要對壓力容器建模指標進行評估，另一方面是要從建模生產與掌控的基本環(huán)節(jié)入手，這樣方可確保壓力容器利用有限元所構建的模型達到協(xié)調的狀態(tài)。

2.3 壓力容器有限元分析

有限元在壓力容器中的應用，主要是依據壓力容器生產設計厚度、大小、以及節(jié)后協(xié)調程度等方面的指標，進行壓力容器生產因素設計。其一，壓力容器設計與運作過程中，有限元可在局部未知數分析期間，對壓力容器正常運行狀態(tài)之下的內壁要求、壓力大小、對稱軸壓力承受能力要求等方面做出相應判斷。其二，有限元對壓力容器進行分析時，主要是在模擬軟件環(huán)境下，將壓力容器看作是一個球面圓柱結構，然后進行4等、或者8等分后，再局部進行壓力容器實體的運行探究，這一部分是從壓力容器的內壁厚度要求層面入手把握。

圖1為壓力容器在有限元中設定結構圖，按照空間坐標標準，分別設定X、Y、Z軸。X軸上的數據表示選擇單元部分的壓力容器大小的變化，Y表示壓力容器材料厚度部分的調整變化，而Z軸則表示壓力容器中內側半徑和外側半徑之間的差值。如果壓力容器有限元分析后，各個坐標軸上的壓力數據保持相對一致的狀態(tài)，說明此時壓力容器設計結構實現了最優(yōu)安排。反之，有限元計算數據相對突出的部分表示存在著問題，勘察人員需要與之對應進行調節(jié)。實驗中有限元進行壓力容器調節(jié)期間，當壓力容器的最大值位于變形量控制頂端時，表明壓力容器得到的技術分析值最優(yōu)，此時數據計算值為0.039mm。而壓力容器同方向上的壓力值在163.21MPa的狀態(tài)時，壓力容器的上方壓力承載能力最佳，當Z軸上的應力為141.07MPa時，壓力容器簡桶壓力中心值最高，此時壓力值的大小調節(jié)時，就可以依據壓力容器控制的基本要領，實行材料藝術控制指標的對應安排與有序式調節(jié)。

圖1 壓力容器有限元分析模型圖

有限元技術在壓力容器設計中的應用，可確保結合壓力容器生產中的基本參數因素，實行各項分析條件的對應掌控與最優(yōu)化把握。它不僅從壓力容器整體應用視角上給予了相應反饋，還為壓力容器中相關影響因素分析給予了精準性標準。

2.4 有限元后續(xù)優(yōu)化

有限元技術之所以在當代壓力容器后續(xù)應用過程中得到了有序運用，一方面是運用有限元對反應容器中的相關條件給予了精準性計算，一方面是借助有限元進行壓力容器的相應評估。在以上關于有限元應用與壓力容器設計中，關鍵點方面已經給予了對應分析，這里將不再進行贅述。另一方面，有限元技術在壓力容器中的應用，也實現了結合壓力容器的基本結構，對壓力容器設計中不夠協(xié)調的領域進行了后續(xù)優(yōu)化調整的空間。

其一，有限元技術在后續(xù)生產與操控過程中，先按照壓力容器設計數據，實行壓力容器內測定參數值的定位，然后在可變動數據范圍之內，確定壓力容器的設計變化空間。如果前期設定參數與后續(xù)壓力容器之間的關聯(lián)不相適應，說明壓力容器參數在變動范圍內，可以相應進行變動參數區(qū)間范圍之內調整，從而在模式設計與控制變量范圍之內，重新進行數據信息值的反饋和評估。而數據體積函數選定目標區(qū)域后，內部循環(huán)操控的具體結構之內，也始終保持著目標函數可調節(jié)、可優(yōu)化的控制狀態(tài)。與傳統(tǒng)的一次性確定壓力容器控制方法相比，有限元函數操控領域的可控制性更強，生產運用的安全保障效果也較高。

其二，設計變量壓力調節(jié)與綜合控制過程中，設計變量處于最大值、或最小值的狀態(tài)時，壓力容器的參照優(yōu)化與處理方式層面，依舊保持著設計結構優(yōu)化，壓力容器外部調控因素相互協(xié)調的狀態(tài)。比如，某壓力容器運用有限元技術分析后，得到一個最優(yōu)控制值，最低控制值。運用模擬程序進行壓力容器操控分析過程中，技術人員可先將壓力容器數值控制到最小，內壁控制數據結果達到最低。如果壓力容器水平、垂直方向的壓力強度能夠保持平衡，說明此時壓力容器的控制效果可達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而壓力容器模擬測驗時，其中相關數據不能達到最優(yōu)狀態(tài)，設計人員可逐一按照設計要求，對壓力容器的反應情況進行相應性評價，直到壓力容器可承載的壓力結果達到最佳。

基于有限元技術的壓力容器設計與分析過程，主要是借助壓力容器結構體系，對容器在何種狀態(tài)之下壓力容器做功效果最佳進行分析，它為壓力容器設計方案的調整提供了足夠的可變動空間。同時，基于有限元技術的壓力容器設計過程中的運用，也實現了結合壓力容器操作的基本需求，調節(jié)壓力容器靈活度的效果。

3 結語

綜上所述，基于有限元技術的壓力容器設計方法分析，是當代工業(yè)生產技術手段應用不斷更新的理論歸納。在此基礎上，本文通過壓力容器設計宏觀概括、利用有限元構建數學模型、壓力容器有限元分析、有限元后續(xù)優(yōu)化等方面，探究壓力容器設計有限元分析方法。因此，文章研究結果，將為國內壓力容器生產技術創(chuàng)新提供新視角。