压力容器分析设计的结构优化方法

?必威动态 ????|???? ?2019-07-14 12:57


  SYSApp提供的参数化设计语言和优化设计等高级分析技术,可以采用一种新的“结构优化法”进行压力容器的应力分析设计。该方法具有设计计算周期短、工作量小等优点,具有应用推广价值。
  随着我国压力容器设计观点、设计方法和设计标准的不断更新,以及电子计算机技术的快速发展,应用有限元分析程序对压力容器进行分析设计这一先进的设计方法正在石油、化工、核工业等各种行业的设备设计工作中,得到迅速的推广。在众多可用的通用和专用有限元App中,ANSYS做为最通用有效的有限元App之一,也在压力容器的应力分析设计中得到了广泛(extensive)应用。
  应用有限元分析程序进行压力容器应力分析的标准过程都是根据设计条件,用解析计算方法或根据经验值确定容器的初始结构尺寸,按照该结构尺寸用有限元程序建模、求解,再对得出的应力分析结果进行强度评定。如果强度评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改,然后再次建模、求解,进行强度评定,如此反复,直至强度评定合格为止。用这种方式进行压力容器的应力分析设计存在以下一些不足:设计人员工作量大,设计计算的周期长;特别是模型较复杂或修改较多时,更是如此。
  对设计人员的工作经验要求比较高,同一台容器,不同的人员设计,往往会得到差异较大的不同结果。1对容器各部分,尤其是形状比较复杂部位结构尺寸的确定往往偏于保守,造成材料浪费。
  现在,利用ANSYS程序(procedure)提供的参数化设计语言和优化设计等高级分析技术,可以采用一种“结构优化法”进行压力容器的分析设计和结构优化。分气缸也叫分汽包,它是 蒸汽锅炉的主要配套设备,广泛用于发电、石油化工、钢铁、水泥、建筑等行业。所谓的“结构优化法”,就是以应力强度S
  I、S*、Sr
  A、Sw满足设计标准要求的应力强度控制值作为约束条件,通过ANSYS的优化设计功能,求得使容器重量最小的容器结构尺寸。储气罐不同分:碳素钢储气罐、低合金钢储气罐、不锈钢储气罐。按照压力分:低压储气罐、中压储气罐、高压储气罐。储气罐(压力容器)一般由筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等零件和部件组成。此外,还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。它与一般方法的主要区别是将以往由人工确定初始结构尺寸变为由App通过计算自动确定,并且App给出的这些结构尺寸是满足应力强度控制条件的优化值。
  1“结构优化法”的基本过程在这一过程中,为简化计算和便于各应力强度的控制,将容器结构参数的优化分为1‘优化容器基本结构参数“和”优化容器局部结构参数“两个步骤来进行。容器基本结构是组成容器壳体结构的筒体、封头、接管、管板等基本板壳部件。
  容器基本结构参数(parameter)指的是在不考虑应力集中和边缘效应的情况下,元件的结构尺寸。“优化容器基本结构参数”是以参数化建模的方式分别分析计算各个元件在设计外载作用下,不受其它元件约束,可以自由变形时的应力分布。然后,选取可能(maybe)出现最大一次整体薄膜(薄而软的透明薄片)应力,最大一次薄膜加一次弯曲应力的全部截面进行应力线性化,再提取各应力强度作为状态变量,体积、重量等作为目标函数,以元件结构参数作为设计变量进行优化设计。这样,在确定使各个元件重量最小的基本结构尺寸Si  选取可能出现最大一次局部(part)薄膜应力,最大一次薄膜加一次弯曲应力,最大一次加二次应力的全部截面进行应力线性化,再提取各应力强度作为状态变量,体积、重量等作为目标函数,以容器局部结构参数作为设计变量进行优化设计。这样,在确定使容器局部结构重量最小的结构尺寸的同时,满足分析标准对一次局部薄膜应力强度Sn   2“结构优化法”的应用实例下面,以某热壁加氢反应器为例说明“结构优化法”的具体实施方法。该反应器的设计条件及材料物理性能如下:在完成容器的“结构分析”,确定容器的基本结构形式和局部结构形式之后,进行容器基本参先将反应器壳体分解为相互独立的若干元件,对各元件分别进行优化。
  筒体的结构简图以筒体为例:将筒体视为无限长圆筒,如所示进行参数化建模,选取8节点PLANE77单元进行映射网格划分,用间接耦合法分析其在内压和热应力作用下的应力分布,参数化提取最大应力强度。然后以壁厚B为设计变量,筒体内的最大薄膜应力强度SINTM  优化(optimalize)结果:径进行应力线形化后,该路径上最大薄膜应力强度SIM和最大薄膜加弯曲应力强度SIS的宏。
  用类似的方法,可以对球形封头、接管等其它元件的结构尺寸进行优化。完成容器的基本结构参数的优化后,将得到的各个元件的结构尺寸作为设计条件的一部分,进行容器局部结构参数的优化。以球形封头上大开口处的补强结构为例:该补强结构的结构及尺寸如所示。其中,封头半径R=1 389由设75,接管壁厚B50在‘优化容器基本结构参数’时确定。将该补强结构和与之相联接的封头、接管按轴对称(symmetry)问题进行整体参数化建模,选取8节点PLANE77单元进行自由网格划分,用间接耦合法分析(Analyse)其在设计条件下的应力分布,选择可能出现各类最大应力组合的截面,参数化提取最大应力强度。以、、召2、万3、1;7、耵1为设计变量,筒体内的最大薄膜应力强度SINTM  优化结果:分析文件清单如下:3进一步设想应用“结构优化法”进行压力容器应力分析设计与以往的标准方法相比,具有设计周期短,设计人员工作工作量小,容器各部分结构尺寸通过优化方法确定,有利于避免材料的浪费等优点。如果再进一步,预先编制好压力容器中常见的元件和局部结构的分析文件,和一个根据输入的设计条件和选定的元件及局部结构,自动调用相应的分析文件和优化方法,进行应力分析计算的控制程序,就可以对常规结构的压力容器自动进行应力分析计算。如果上述设想能够实现,将有力地促进压力容器应力分析设计法的普及、推广和发展。