煤氣罐的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

葉煜松，尹飛鴻

(1. 常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002; 2. 常州市特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213002 )

煤氣罐的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

葉煜松1，尹飛鴻2

(1. 常州工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002; 2. 常州市特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213002 )

摘要：對煤氣罐進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，建立了三維模型，運(yùn)用有限元分析軟件對煤氣罐施加工作壓力，得到了工作狀態(tài)下煤氣罐的應(yīng)力值。根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果對煤氣罐的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了設(shè)計(jì)序列、體積與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線、厚度與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線、最大應(yīng)力與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線,為其他壓力容器的應(yīng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路。

關(guān)鍵詞：煤氣罐；應(yīng)力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；有限元分析

Research on Stress Analysis and Optimization Design of Pressure Vessel

YE Yusong1, YIN Feihong2

(1. Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002, China;

2. Changzhou Key Laboratory of Nontraditional Machining，Changzhou 213002, China)

Abstract:In the paper, the gas tank is designed and calculated, the three-dimensional model is established, and the stress value in the working state is obtained by of the finite element analysis software. The optimized design of wall thickness is completed according to the results of stress analysis, the design procedure, relationship curve of the number of iterations, volume, thickness and maximum stress are gotten. The result of design can provide a method for stress analysis and optimization design for the other pressure container.

Keywords:gas tank; stress analysis; optimized design; finite element analysis

0引言

隨著原材料的制造技術(shù)、生產(chǎn)成本及使用過程控制手段的提高，機(jī)械設(shè)備一直采用輕量化技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)選材料、優(yōu)選加工方法，使其零部件和整機(jī)質(zhì)量減輕，達(dá)到提高性能、節(jié)能減排、降低作業(yè)成本等綜合效益的目的。壓力容器在工程中用途廣泛，數(shù)量眾多，容器內(nèi)介質(zhì)復(fù)雜，且多數(shù)介質(zhì)具有易燃易爆的特點(diǎn)，再加上工作環(huán)境惡劣，常有爆炸事故發(fā)生。所以，在保證受壓元件有足夠的強(qiáng)度及必要的安全裕度前提下，正確設(shè)計(jì)壓力容器，是壓力容器制造、使用的一個(gè)重要前提?，F(xiàn)以YSP-35.5型鋼制的移動(dòng)式煤氣罐為例，進(jìn)行壓力容器的應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[1]。

1煤氣罐瓶體的設(shè)計(jì)計(jì)算

煤氣罐主要是由底座、瓶體、閥座、護(hù)罩、瓶閥等部分組成，如圖1所示。其中瓶體是構(gòu)成煤氣罐安全的主要部分。按照GB5842-1996《液化石油氣鋼瓶》的標(biāo)準(zhǔn)，對YSP-35.5鋼瓶瓶體設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

圖1　煤氣罐簡易模型

鋼瓶體的壁厚S

筒體計(jì)算壁厚S01：

式中：Di為鋼瓶內(nèi)徑(mm)，Ph為水壓試壓壓力(MPa)，σ為材料屈服強(qiáng)度(MPa)，ξ為系數(shù)。

封頭計(jì)算壁厚S02：

因考慮到鋼板在拉伸時(shí)的工藝減薄量以及瓶體的厚度偏差，初選鋼板的厚度為3.0mm。

鋼板的厚度偏差：△1=-0.21mm

拉伸時(shí)的減薄量：△2=3.0×10%=0.3mm

所以：S=S01+△1+△2=2.48+0.21+0.3=2.99mm

即選定剛瓶體板材的名義壁厚S=3.0mm

剛瓶體的剛度經(jīng)驗(yàn)校核：

故壁厚為2.5mm。

2煤氣罐壁厚的靜態(tài)分析

2.1有限元模型的建立

因?yàn)槊簹夤薜耐庑问禽S對稱的，而且上下也是對稱的，為了方便研究，取其1/4作為研究對象。其設(shè)計(jì)參數(shù)為：煤氣罐的內(nèi)半徑R=157mm，煤氣罐瓶體的壁厚t=4mm，煤氣罐筒體高度L=184.25mm，設(shè)計(jì)壓力P1=2.16MPa，煤氣罐材料的屈服極限σ=295MPa，煤氣罐材料的許用應(yīng)力P2= 96.66MPa，煤氣罐材料的安全系數(shù)S=1.5。單元類型Quad 8node82，設(shè)置為軸對稱結(jié)構(gòu)。材料的彈性模量E=2e5MPa，材料的泊松比Nu=0.3，1/4有限元模型如圖2所示。最終劃分了832個(gè)單元，3057個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析時(shí)選擇筒體底端各節(jié)點(diǎn)施加y方向約束，同時(shí)在所選節(jié)點(diǎn)上施加x和y方向軸對稱約束，在容器內(nèi)壁的節(jié)點(diǎn)上施加0.6MPa的工作壓力[2-4]。

圖2　有限元網(wǎng)格模型

2.2靜力分析結(jié)果

煤氣罐工作壓力下的變形結(jié)果如圖3所示。由煤氣罐壁厚的變形結(jié)果圖可以看出，瓶體的圓弧處變形較大，內(nèi)部的壓力將瓶體向外擴(kuò)張，由圖3可以得出，在瓶體頂部的撓度最大，其最大撓度為0.224836mm。

圖3　煤氣罐壁的變形

煤氣罐節(jié)點(diǎn)的von Mises應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在瓶體的圓弧處，大小為131.042MPa，最小應(yīng)力出現(xiàn)在最大應(yīng)力下方，圓弧和直線的交界處，大小為21.12MPa。

圖4　煤氣罐的應(yīng)力云圖

外壁上節(jié)點(diǎn)路徑上的von mises seqv分析結(jié)果如圖5所示。

圖5　應(yīng)力等值線圖

由應(yīng)力等值圖可以看出，沿著該路徑應(yīng)力逐漸呈下降趨勢，然后突然升高，最后趨于穩(wěn)定。因?yàn)樽畲髴?yīng)力出現(xiàn)在煤氣罐的頂部，也就是路徑的起始點(diǎn)，順著路徑應(yīng)力開始逐漸減小，在路徑中點(diǎn)附近到達(dá)最小值，之后迅速上升達(dá)到一個(gè)峰值，然后逐漸下降，最后趨于平穩(wěn)。

對稱擴(kuò)展后查看節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布，結(jié)果如圖6所示的應(yīng)力分布圖。

圖6　應(yīng)力云圖

3煤氣罐壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工作已不再是過去那種憑借經(jīng)驗(yàn)或直觀判斷來確定結(jié)構(gòu)方案，也不是像過去“安全壽命可行設(shè)計(jì)”方法那樣，而是借助計(jì)算機(jī)，應(yīng)用一些精確度高的力學(xué)數(shù)值分析方法(如有限元法等)進(jìn)行分析計(jì)算，并從大量的可行設(shè)計(jì)方案中尋找出一種最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)用理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用精確計(jì)算代替近似計(jì)算，用優(yōu)化設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。優(yōu)化時(shí)取煤氣罐瓶體的壁厚為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，其值取1mm～5mm，優(yōu)化狀態(tài)變量為優(yōu)化分析時(shí)的最大應(yīng)力，目標(biāo)函數(shù)為煤氣罐的總體積，采用一階優(yōu)化方法，最大迭代次數(shù)取28。所有設(shè)計(jì)序列如圖7所示，最佳優(yōu)化結(jié)果為最大應(yīng)力為197.47MPa，壁厚為2.5348mm，體積為0.88789E6mm3[5]。

圖7　所有設(shè)計(jì)序列

體積與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8　體積與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線

由圖8可見，開始時(shí)隨著迭代次數(shù)的增加目標(biāo)函數(shù)VTOT迅速下降，之后緩慢下降并且在一定范圍內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定，由此可以看出目標(biāo)函數(shù)VTOT隨著迭代次數(shù)的增加而向最佳方案逼近。

厚度與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線如圖9所示，最大應(yīng)力與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖9可見，開始時(shí)狀態(tài)變量T隨著迭代次數(shù)的增加迅速下降，之后在規(guī)定范圍內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定。由圖10所示，開始時(shí)狀態(tài)變量YINGLI隨著迭代次數(shù)的增加迅速上升，之后在一定區(qū)間內(nèi)逐漸趨于穩(wěn)定。由狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，迭代的次數(shù)越多結(jié)果越穩(wěn)定。

圖9　厚度與迭代次數(shù)的關(guān)系

圖10　最大應(yīng)力與迭代次數(shù)的關(guān)系

4結(jié)語

采用有限元分析軟件ANSYS對煤氣罐壁厚進(jìn)行優(yōu)化分析，最優(yōu)時(shí)的最大應(yīng)力為197.47MPa，目標(biāo)函數(shù)T下降了大概36.8%，有明顯的優(yōu)化效果，在保證安全的前提下大大地降低了生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)結(jié)果可用于實(shí)際生產(chǎn)實(shí)際。

參考文獻(xiàn):

[1] 余偉煒,高炳軍，等. ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社,2006.

[2] 尹飛鴻. 有限元法基本原理及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社,2010.

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[5] 王慶五, 左昉,胡仁喜，等. ANSYS10.0機(jī)械設(shè)計(jì)高級應(yīng)用實(shí)例(第2版)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.115.

收稿日期：2014-01-02

中圖分類號：TH123+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0056-03

作者簡介：葉煜松(1968-)，男，江蘇常州人，講師，主要從事機(jī)械工裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元分析研究。

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目SQ2008AA10XK1468859)；江蘇省高校自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (08KJD460002)