基于 ANSYS冷高压分离器结构优化设计

秦增伟

(辽河石油勘探局油田建设工程一公司金属结构安装工程公司)

基于 ANSYS冷高压分离器结构优化设计

秦增伟＊

(辽河石油勘探局油田建设工程一公司金属结构安装工程公司)

对冷高压分离器球形封头与筒体连接区建立了基于分析设计的优化数学模型,利用有限元程序ANSYS提供的参数化设计语言 APDL及优化模块 OPT,建立了参数化有限元分析模型并进行了优化计算,实现了压力容器不连续区分析设计意义上的优化设计。

冷高压分离器 不连续区 ANSYS 优化设计 压力容器

冷高压分离器已经被广泛地应用于国内外加氢裂化装置中。冷高压分离器上一般都采用半球形封头 (如图 1所示)。由于半球形封头受力均匀,所以封头厚度与相连筒体的厚度相差比较大。因此,筒体与封头之间必然存在过渡区域,通常采用锥形过渡段进行连接[1、2]。而锥形过渡段则通过削薄筒体端部的方法获得。由于结构不连续,使得该过渡区域成为高压容器的高应力区之一。利用 ANSYS的有限元参数化建模以及优化模块可以对压力容器类似不连续区进行应力分析及优化设计,使不连续区的应力水平达到最低。而评判不连续应力水平时引入分析设计中应力评定的观点,则可以实现基于分析设计的结构优化。

图1 裂化反应产物冷高压分离器

1 ANSYS优化理论

有限元数值计算技术与优化技术相结合的ANSYS优化设计,主要依靠其参数化设计语言 APDL(ANSYS Parametric Design Language)及优化模块OPT(Optimization Tools)来实现[3]。

主要步骤如下:

(1)生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程,而且必须包含参数化建立模型、求解及提取状态函数变量和目标函数变量几项。进入OPT,指定分析文件。

(2)声明优化变量。

(3)选择优化工具或优化方法。

(4)指定优化循环控制方式。

(5)进行优化分析。

(6)查看设计序列结果。

应该指出的是,实现上述有限元数值计算与优化相结合的一体化设计的关键在于第一步。从模型建立到网格划分,从边界条件的施加到求解,从应力分析路径选定到各类应力数据提取以及各应力水平系数的计算,都必须完全参数化,只有完全参数化的分析文件才能与优化相结合。而建立完全参数化分析文件的关键则在于灵活使用 ANSYS程序提供的选择集命令与数据库参数化提取命令[4]。

2 优化设计实例

某炼厂裂化反应产物冷高压分离器 (见图 1),设计压力 P=7.5 MPa,设计温度 t=60℃,材料16MnR。筒体内半径 R1=700 mm,壁厚δ1=40 mm;封头的内半径 R2=706 mm,厚度δ2=28 mm。在设计温度下,筒体的许用应力[S]1=157 MPa,封头的许用应力[S]2=163 MPa。

优化设计过渡段削边长度L,使过渡区最大应力水平系数最低。因主要讨论封头与筒体过渡区应力状况,故忽略封头上其它结构,建立如图 2所示的有限元分析模型。

图2 封头与筒体过渡区有限元网格划分模型

图3 封头与筒体过渡区应力有限元分析模型

有限元计算采用 ANSYS提供的 8节点四边形单元 PLANE82对封头与筒体进行过渡有限元网格划分。L=92mm时计算结果如图3所示。由图3可见,最大应力强度出现在封头与过渡区连接线的内壁。为此将封头与过渡区连接线取为第 1条应力处理线,同时将筒体上封头切线位置取为第 2条应力处理线 (见图 4)。

以削边长度L为设计变量,根据文献 [5],有:

L的上限应根据内壁可削边长度 L1及外壁与封头相切原则所确定的外壁削边长度 L2来确定 (见图 3),并取较小者。

式中 R1、R2——分别为圆柱壳和球壳内径δ1、δ2——分别为圆柱壳和球壳厚度

图4 球形封头与筒体连接区结构

状态参数:

式中 α——锥形段斜边倾斜角

R2——球壳内半径

优化任务是使球壳和锥形过渡区的应力集中系数最小,所以目标函数为:

其中,K为应力集中系数,Smax(L)为球壳和圆壳通过线性变厚度连接结构的最大当量应力(按第四强度理论),S=PR2/(2t2)为球壳部分的当量膜应力。

约束条件:

应用 First-Order优化方法对模型进行优化,并对优化结果进行分析,显示目标函数变化规律(见图 5)及最佳优化序列 (见表 1)。结果表明,当L=68.907 mm,α =90°-5.6011°=84.3989°时,结构应力集中系数最小,为最佳结构尺寸。

表1 最佳优化序列

图5 一阶优化目标函数变化规律曲线

3 结语

在传统结构设计的基础上,利用有限元程序ANSYS提供的参数化设计语言APDL及优化模块OPT对冷高压分离器球壳与筒体不连续段的结构尺寸进行优化设计,优化后可使不连续区应力集中系数最小,为高压容器此类不连续区的安全运行提供了必要的保障。

[1] GB 150-1998.钢制压力容器 [S].北京:国家标准监督局,1998.

[2] 王志文.化工容器设计[M].北京:化学工业出版社,1998.

[3] 余伟炜,高炳军,等 .ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[4] 刘国庆,杨庆东 .ANSYS工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[5] JB 4732—1995.钢制压力容器——分析设计标准 [S].1995.

＊秦增伟,男,1980年 1月生,工程师。盘锦市,124120。

2009-12-02)