基于虚拟样机技术在压力容器中的仿真研究

宋来兵 冯哲 王作旺

山东阳谷祥光铜业有限公司，山东阳谷，252300

基于虚拟样机技术在压力容器中的仿真研究

宋来兵 冯哲 王作旺

山东阳谷祥光铜业有限公司，山东阳谷，252300

本文首先以基本设计理论为基础建立了压力容器的三维模型。然后模拟了现实工作状况，对压力容器进行了静应力分析。最后，在外部载荷一定的条件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技术对压力容器的壁厚进行了优化设计。

虚拟样机；压力容器；有限元

1 绪论

虚拟样机技术是20 世纪末发展起来的一门新技术, 在功能方面虚拟样机与物理样机具有一定的相似度。虚拟样机技术在虚拟条件下即可对产品进行构思、设计、制造、试验与分析；虚拟样机通过数学模型表示了物理样机中各零件之间的几何关系、连接关系、运动特性等。利用虚拟样机技术进行机械系统仿真, 可以获得压力容器的多种性能指标设计方案。从而，有效地减少了机械产品的研发周期,提高了压力容器的设计质量。

压力容器是工业生产的载体，在各个领域起着重要作用。压力容器在工作过程中不仅要承受一定压力，而且且工作环境常常处于高温、真空、腐蚀等。当设计不合理，压力容器中应力集中部位容易发生裂纹现象。在工作过程中裂纹将逐步扩大，最终导致容器发生爆炸、燃烧事故等。

2 压力容器模型的建立

该压力容器为常压容器，其规格为φ2500mm×3000mm，管口的连接尺寸标准、连接面形式、用途如表1所示。

表1 管口尺寸

该压力容器中的工作介质有水、盐酸、皂液、乳化剂等。容器中的混合液经HJ弧叶桨式搅拌器搅拌均匀后由泵从N07口输送到压力管道中。压力容器的管口方位如图1所示，利用solidworks建立的三维模型如图2所示。

图1 管口方位

图2 三维模型

3 有限元分析

有限元分析作为一种先进的分析手段,目前已广泛应用于压力容器的应力分析与设计中，有限元法的实质是把连续体用有限个单元体来代替,从而把连续体的分析转化为单元体分析。本文利用Solidworks Simulation为设计的压力容器进行有限元分析，评估了压力容器承受载荷条件的能力。压力容器各部分采用的材料特性图表2所示。

表2 材料特性

3.1 建立约束

对压力容器进行静态分析，首先要为加载约束。该容器属于固定式压力容器，因此选择四块垫板为固定几何体，如图3所示。

图3 固体几何体

3.2 施加载荷

压力容器在工作过程中的载荷如表3所示。

表3 解算器信息

3.3 网格划分

多区域网格的划分将会影响计算结果精度和计算规模大小。本文利用Solidworks Simulation自带的工具进行壳网格划分。压力容器的网格划分如图5所示，解算器信息如表4所示

图5 网格划分

表4 解算器信息

4 优化设计

4.1 有限元结果分析

从图 3 可以看出，在给定条件下，Von Mises等效应力最大值出现在筒体和上端法兰处，为 1.520×108N/m2，小于材料的屈服极限，是安全的。应力最小值分别出现在椭圆形封头和支撑立柱部分，其值为 2.0×102N/m2，安全性较高、材料富裕量较大。最大位移量发生在筒体和上端法兰部分，其最大值为8.782×10-1mm，最小位移量为1.0×10-3mm。应力、位移、应变的比较如图6所示。

图6 应力位移应变的比较

4.2 优化设计

设计方案往往不是唯一的，机械优化设计是从多个可行的设计方案中寻找最优方案。通过Solidworks Simulation有限元分析技术来寻找最佳解决方案，以最低的成本。

若试将原设计中的筒体、封头壁厚改为6mm，其余不变。网格划分运行后，得出最大应力数值为1.650×108N/m2，最小应力为5.109×102N/m2。最大位移量发生在筒体和上端法兰部分，其最大值为1.121×101mm，最小位移量为1.0×10-3mm，应力、位移、应变的比较如图7所示。

图7 应力、位移、应变比较图

修改后的设计既可以节约材料，又符合压力容器的工作状态。

5 结论

本文首先以基本设计理论为基础建立了压力容器的三维模型；然后模拟了现实工作状况，对压力容器进行了静应力分析；最后，在外部载荷一定的条件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技术对压力容器的壁厚进行了优化设计。该分析为同类型压力容器的设计提供了一定理论依据。

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宋来兵/1985年生/男/山东聊城人/学士/研究方向为机械设计、计算机辅助设计在机械方面的应用