基于ANSYS的压力容器的应力分析与壁厚优化设计

沈峰黄懿 陆建国

（江苏省特种设备安全监督检验研究院太仓分院)

压力容器

基于ANSYS的压力容器的应力分析与壁厚优化设计

沈峰*黄懿 陆建国

（江苏省特种设备安全监督检验研究院太仓分院)

应用ANSYS有限元分析软件对一缓冲器压力容器进行应力分析与壁厚优化设计。在满足应力强度的条件下得到合理方案，容器质量减小了17.5%，球形封头壁厚减小了16.7%，优化结果明显。

压力容器应力分析优化设计壁厚ANSYS缓冲器

0 前言

压力容器是石油化工、机械、轻工、食品等多种工业领域中广泛使用的承压容器设备。传统的压力容器设计采用规则设计[1]，即依据标准GB 150《钢制压力容器》[2]进行设计。为了保证容器的安全性，设计者总是尽量增大壁厚，以增强容器的承压能力，得出的结构强度结果比较保守，这就限制了容器整体性能的提高和材料的有效利用。随着分析设计[1，3]概念的提出，设计者越来越多地对压力容器的结构进行优化。本文采用ANSYS有限元分析软件，对容器各部位进行详细的应力计算与分析，在不降低设备安全性的前提下以容器的质量最小为目标，通过优化设计方法给出压力容器参数的最优组合，从而降低了结构的厚度，使材料得到有效的利用。

1 压力容器参数及应力云图

1.1 工作条件和结构参数

图1为一缓冲器，其球形封头与接管连接区结构如图2所示。整个缓冲器封头材料为16MnR，接管材料为16Mn，其参数见表1。设计压力p=32 MPa，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ＝0.3。壁厚参考范围t1=30～39 mm，t2=15～24 mm，许用应力[σ]=250 MPa。

1.2 参数化建模

根据结构特性和载荷特性，采用轴对称力学模型进行分析，由关键点生成面，建立二维模型，结构采用ANSYS软件提供的8个节点的轴对称单元PLANE 82划分网格，有限元模型如图3所示。

图1 缓冲器

图2 缓冲器结构

表1 缓冲器结构参数

1.3 施加载荷及应力分布

有限元分析的目的是了解模型对外部施加载荷的响应。正确地识别和定义载荷，并有效地实现仿真加载，是运用有限元分析工具的关键一步。本例中，压力容器约束和加载情况如图4所示。内表面承受的压力为设计压力32 MPa，球形封头端部对称面施加对称约束。接管端部所受轴向拉应力为：

求解得应力结果如图5所示。由应力云图可见，最大应力强度出现在封头与接管连接处接管内侧，最大应力值为228.886 MPa,接管外侧与封头内侧连接的不连续几何部分也出现很大的应力值。

图3 压力容器有限元模型

图4 约束和加载

图5 优化前模型应力云图

2 优化设计

2.1 参数的优化

优化问题的基本原理是建立优化模型，运用各种优化方法，在满足设计要求的条件下进行迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。ANSYS程序提供了两种优化方法，这两种优化方法可以处理绝大多数的优化问题[4]。零阶方法是一个很完善的处理方法，能有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。

数学模型由目标函数与约束条件构成。根据图2所显示的结构，选定容器的壁厚t1、t2作为设计变量，σ为优化设计中结构的等效应力强度，并作为约束条件，压力容器质量WT为目标函数。综上所述，可得压力容器结构优化设计的数学模型为：

优化设计时最大迭代次数20次。

2.2 优化结果

通过上述优化方法进行参数优化设计，并且得出相应的优化结果。图6为设计变量壁厚t1、t2随迭代次数的变化规律，图7为状态变量最大应力SMAX随迭代次数的变化规律，图8为目标函数质量WT随迭代次数的变化规律。

图6 设计变量t1、t2随迭代次数的变化规律

图7 状态变量SMAX随迭代次数的变化规律

2.3 优化后的容器各参数

优化前后容器的主要参数如表2所示。从优化前后各参数的变化可看出，球形封头壁厚t1从36 mm降至30mm，减薄了约16.7%，接管壁厚t2从22 mm降至21.768 mm，目标函数WT从132.58 g降至109.37g，质量减少了约17.5%，优化效果明显。

图8 目标函数WT随迭代次数的变化规律

表2 优化前后主要参数

3 结论

（1）本文采用ANSYS软件对压力容器结构在满足安全性的前提下进行质量最小的优化设计，封头壁厚t1减薄了约16.7%，目标函数WT减少了约17.5%，得出了缓冲器封头和接管壁厚最合理的尺寸，既节省了大量工程材料，又减少了制造成本。

（2）由图6至图8可以看出，各状态变量及目标函数随迭代次数的增加向最佳设计方案逼近，且逼近效果良好，由此也印证了有限元分析技术在优化设计中的应用价值。摒弃传统的结构设计的被动校核方法，主动地在可行域内寻求最佳设计方案，这就可以在很大程度上减少设计成本、缩短设计周期，使产品设计得更合理。

[1] 郑津洋，董其伍，桑芝富．过程设备设计［M］．北京：化学工业出版社，2001．

[2] 国家技术监督局．GB 150—1998.钢制压力容器［S］．北京：中国标准出版社，1998．

[3] 全国压力容器标准化技术委员会．JB 4732—1995.钢制压力容器——分析设计标准［S］．北京：中国标准出版社，1995.

[4] 余伟炜，高炳军．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，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，硕士。苏州市，215400。

2012-03-14）