基于AnsysWorkbench的壓力容器結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設計

吳磊(江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院泰州分院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

通常情況下，對兩種厚度不同的壓力容器進行連接時，采用的設計手段便會錐形過渡段-削邊連接，其中主要效果決定于錐角與錐形段長度的影響[1]。一般而言，這種鏈接方式的原理就是借助殼體厚度或是外邊頂點進行直線連接，從而達到自身的需求，其中，一旦確定了錐形的過渡段，錐角也會隨之形成。與此同時，由于殼體在厚度問題上存在一定的差距，因此，實際錐形過渡存在兩種內(nèi)外長度，只有進一步確定此段長度，才能使得容器的結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，進而減小此結(jié)構(gòu)中的應力集中系數(shù)，此為所有的研究人員均需要考慮的問題。借助AnsysWorkbench系統(tǒng)中的DesignExplo-ration將其中存在的問題加以分析，隨后提出優(yōu)化措施[2]。

1 問題描述

如圖1所示。某高壓容器的主題結(jié)構(gòu)尺寸主要為：筒內(nèi)徑R為775 mm，殼體的厚度t為100 mm，封頭的內(nèi)徑為800 mm，高壓容器主體結(jié)構(gòu)尺寸：筒體內(nèi)徑R厚度則是48 mm，過渡段的長度L為95 mm。其中設計的壓力為16 MPa，原設計溫度為260 ℃，材料為Q345R，此溫度環(huán)境下，材料的許用應力為130 MPa，彈性模量為1.87 GPa，泊松比為0.3將錐形過渡段實現(xiàn)優(yōu)化后，使球殼和筒體的錐形過渡連接區(qū)的應力集中系數(shù)最小[3]。

圖1 容器結(jié)構(gòu)

2 解決思路

總的來說，實施錐形過渡階段的優(yōu)化工作，實際上是指對過渡段長度的一種優(yōu)化，所以將錐形過渡過程中的長度1與長度2作為便量設計目標，從而展開一系列優(yōu)化設計[4]。在此過程中，所有優(yōu)化工作的開展與實施，其主要的目的便是進一步發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，致力于更好地提高結(jié)論的精確性和可靠性，從而實現(xiàn)對過渡段連接處應力集中系數(shù)的最小化，因此，需要以下目標函數(shù)建立與支撐：

式中：K為應力集中系數(shù)；Smax(L)為球殼與圓筒殼通過線性過渡段連接結(jié)構(gòu)中的最大當量應力；S為當量模量，對于球殼，當量模應力S=PR2/(2t2)，而對于圓筒殼體，其當量模應力S=PR1/t1。

根據(jù)理論的應力計算結(jié)果來看，在進行壓力容器的設計過程中，當外殼和容器內(nèi)部確定后，相應的應力數(shù)值也隨之進行確定，在本次研究過程中所出現(xiàn)的應力集中系數(shù)最小，是在研究中壓力容器的過渡結(jié)構(gòu)中，避免在模擬過程中出現(xiàn)試載力過大，造成模型的破壞，因此所設置參數(shù)為應力最小的允許范圍內(nèi)，結(jié)合標準 GB/T 150—2011或 JB 4732—95，過渡段長度尺寸L約束條件需滿足：L≥3[(R1+t1)-(R2+t2)]=3[(775+100)-(800+48)]=81 mm[5]。

3 AnsysWorkbench數(shù)值模擬過程

Ansys模擬過程中，需要對實體模型進行簡單的約束和加載分析，先要在建立的模型中進行優(yōu)化和簡化。由于有限元分析過程中，會對于不同結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格化分割，同時還需要做好相關的曲率參數(shù)的設置，由于模型的數(shù)值分析需要大量的計算，這些基本的參數(shù)沒有得到調(diào)整或者沒有進行簡化，在進行應力計算過程中需要耗費大量的計算時間，同時也會產(chǎn)生因網(wǎng)格化不合理可能會出現(xiàn)較大的結(jié)果偏差，從而影響到應力結(jié)果的準確讀取。在模型簡化過程中，首先是對該實體模型的圓角、曲面、螺孔等一些影響因素較小的特征進行消除，后續(xù)對整體的網(wǎng)格化應用和曲率的調(diào)整會更加便利[6]。

壓力容器作為一種重要的儲存設備，其應用范圍十分的廣泛，因此，AnsysWorkbench的數(shù)值模擬就顯得極為重要，相關工作人員必須對此予以充分的重視，進而通過不斷加大研究力度和實踐力度，最大化地保障AnsysWorkbench數(shù)值模擬的科學性、合理性和有效性。在此基礎上，通過AnsysWorkbench數(shù)值模擬，可以更好地實現(xiàn)自動劃分網(wǎng)格的功能，該功能對于數(shù)值的模擬有著積極的意義和深遠的影響，是數(shù)值模擬的前提和保障，有著不可或缺的重要作用。與此同時，通過AnsysWorkbench模擬的過程中，還可以根據(jù)壓力容器自身的結(jié)構(gòu)狀況，從而根據(jù)具體情況和實際需求展開對網(wǎng)格的數(shù)量和大小的劃分工作，整個過程中所體現(xiàn)的自動化技術和智能化技術，在一定程度上可以更好地解決壓力容器方面的存在的諸多棘手問題。

在此基礎上，針對模型的建立問題，還需要進一步加強對壓力容器進行有限元的分析。針對有限元的分析，首先，必須考慮到壓力容器的特殊性，特別是在形體上所體現(xiàn)出來的差異性，與此同時，也正是由于這些差異性，導致了邊界形式的多樣性?；诖?，必須根據(jù)實際的情況做出相應的分析，不能一概而論。其次，為了進一步保障模型的精確度，有效地提高模型的可靠性和實用性，在建立模型的過程中，也要適當?shù)膶δＰ瓦M行科學、合理的簡化，有效的避免復雜性所帶來的弊端問題，進一步提高計算效率和精確性。

實施尺寸確定之前，應該將容器結(jié)構(gòu)的對稱性進行充分考慮[7]。筒體的長度值選定為1 200 mm，以此來進行2D參數(shù)數(shù)化模型的建立，設計過渡段L1與L2的長度參數(shù)變量為P1與P2，隨后進行邊界條件設置、載荷施加以及網(wǎng)格劃分，如圖2所示。在模型中將材料參數(shù)進行正確輸入，選擇等效應力Equivalent(von-Mises)，進一步求解。詳細結(jié)果顯示，筒體封頭連接處的等效應力最大為204.16 MPa，發(fā)生在球形封頭與過渡段連接處[8]。取Equivalent(von-Mises)最大應力作為輸出變量P3，然后基于DesignExploration中的實驗設計實現(xiàn)對目標驅(qū)動的優(yōu)化，進一步會將樣本數(shù)值確定為40，ExecuteAllSimulation為自動停止類型。隨后，更改變量L1與L2的值，上下限值為81與 105。

圖2 邊界條件

進行設計點的更新，經(jīng)過檢測和分析后，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)總共存在10個不同的設計點值，隨后，必須根據(jù)實際情況進一步加強對相關設計得到設計點值的擬合工作。與此同時，也要注重對各個參數(shù)進行科學的優(yōu)化和合理的調(diào)整，進一步提高其敏感性能。經(jīng)研究表示，當球殼與筒體的內(nèi)邊間距尺寸L1對MISES應力值的影響最為敏感，與此同時，可以分析得出該應力值隨內(nèi)邊的距離的增大而減小，對外邊距離敏感性較低。將最大等效應力(P3)目標設為小，重要程度設為高，更新優(yōu)化，DesignExploration產(chǎn)生了3組候選優(yōu)化設計點，最大MISES應力值已降為202.8 MPa。取L1=104.98 mm、L=93.517 mm候選點，并將其插入設計點進行進一步優(yōu)化工作，并及時有效的更新所有的設計點。

將L與L2兩個變值的正式設計點從參數(shù)表中進行導入，進而可以得出如圖3所示。壓力容器優(yōu)化后的應力云圖，其最大的應力值為202.76 MPa，分析圖3可以看出，原本的筒體與原球殼之間的錐形過渡連接處的應力值呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，除此之外，原本的應力集中系數(shù)從整體上來看，也呈現(xiàn)下降的趨勢。值得說明的是，在整個過程中，我們還可以發(fā)現(xiàn)仍然具有兩個點的應力值與候選點的值相對接近，因此選擇的另外兩點并無較大的差距[9]。

圖3 優(yōu)化后的容器應力云圖

4 封頭的形成

就目前的情況而言，我國對于封頭形成方法的研究受到了多方面因素的影響，其在使用方法上具有一定的局限性，目前常用的形成方法大體上可以分為沖壓和旋壓兩種方式，具體內(nèi)容如下：

首先是沖壓成形法，該方法對于機械設備的要求相對嚴格，一方面必須提供水壓機，進一步保障沖壓壓力；另一方面，還需要注重沖壓模型的精確性，主要包括模具的上模、下模、壓邊圈。與此同時，由于模具制作材料的特殊性，其在制作過程中具有一定的復雜性和難度，故而必須充分考慮到工作人員的專業(yè)能力問題。通常來說，制作一副沖模，一般只能壓同一規(guī)格的封頭，如果要沖壓一些其他類型的封頭，例如一些非標準的封頭，則需要添加大量的模具，大大加劇了勞動力與成本，還需花費大量時間。

其次是旋壓成形法，該方法受到了石油化工領域的影響，隨著對封頭需求量的不斷增加，對封頭的形成法有了更高層次的要求和標準，該方法受到了社會各界的廣泛關注和重視。現(xiàn)階段，旋壓成型法以其特有的優(yōu)勢和用途達到了批量生產(chǎn)的目的，也是當前國內(nèi)國外批量生產(chǎn)封頭的重要方式和常用方式。

封頭的旋壓成形法通?？梢苑譃槁?lián)機法和單機法兩種。所謂聯(lián)機法，就是通過封頭模擬成形，模擬分為壓鼓和滾邊兩個環(huán)節(jié)，且是一個獨立的過程，更加便于工作人員進行操作。而單機法是將板料根據(jù)相應的順序及作業(yè)流程實施成形工作，旋壓法的原理就是通過利用板料旋轉(zhuǎn)，從而使得一些模具能夠根據(jù)實際需求逐漸變形，且整個流程具有智能化、自動化、精確性，最終形成所需要的模具。例如，當封頭規(guī)格不相同時，就可以通過調(diào)節(jié)主軸與尾架之間的距離，并使內(nèi)外滾輪的回轉(zhuǎn)臂半徑長度與之相適應，其在操作的過程中具有可操控性，較沖形成法來說，更加具備方便、快捷、靈活的特點，可以在一定程度上減少了人力、物力、財力的投入，達到降低成本的目的。在此基礎上，也就意味著工作人員的專業(yè)性占據(jù)主導地位，人為因素將直接影響封頭壓制的質(zhì)量和效率，對工作進程的順利性有著直接性的影響。因此，在運用聯(lián)機法的過程中，首先必須注重提高和保障工作人員的專業(yè)能力和專業(yè)素養(yǎng)，且能夠?qū)ΤＲ?guī)的操作技能進行熟練、靈活的掌握，對工作的嚴格性和高效性要求較高。除此之外，該方法的優(yōu)勢還表現(xiàn)在對模具、封頭直徑等其他方面的局限性較小，也不存在一種沖模只能壓制一種規(guī)格的模具問題，就大大提高了模具的可利用率，只需添加相應的測量樣板即可進行生產(chǎn)和加工工作，進而有效地提高了經(jīng)濟效益。由此可見，旋壓成形的效果十分顯著，且其優(yōu)化設計結(jié)果在實際生活中的應用十分廣泛，在實際生產(chǎn)中很容易實觀。

從上例可以看出，設計參數(shù)是極為重要的，任何一個壓力容器都存在最佳的設計方案，但是必須清晰地明確計算范圍，并保證優(yōu)化內(nèi)容。與此同時，在設計參數(shù)的過程中，也必須注重提高整體的質(zhì)量和效率問題，在保證質(zhì)量和效率的同時要進一步提高經(jīng)濟效益，節(jié)省安裝空間。除此之外，一個最佳的設計方案，必須要建立在可以達到現(xiàn)實條件的情況下，才能保證實際效益的最大體現(xiàn)。

5 AnsysWorkbench數(shù)值模擬實現(xiàn)高壓容器優(yōu)化設計

通過采用AnsysWorkbench數(shù)值模擬過程實現(xiàn)了高壓容器的優(yōu)化設計，并對其進行了分析和探討，最終得到了一個容器參數(shù)的最佳應用值范圍。從結(jié)論數(shù)據(jù)的角度來分析，我們可以得出高壓容器的筒體與球殼之間的參數(shù)范圍是至關重要的，特別針對鏈接處的錐形段，存在一個最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸。但是，需要特別注意的是對于此段長度有著嚴格的標準和范圍劃分，取值范圍必須精確，不可以隨意進行取值。經(jīng)過分析可以得出，其范圍主要介于L1為105 mm，L2取值為93.5 mm。此時，將會呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)應力集中系數(shù)最小化，此狀態(tài)為最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。但是值得注意的是，在進行實際的容器制造過程中，對封頭與筒體的連接方式均需要采用焊接來實現(xiàn)，因此，對于焊接的角度、技巧、工具的選擇、焊接的質(zhì)量、焊接的效率、焊接的規(guī)范性等方面需要有更加精密、嚴格的要求和標準。特別是針對接頭處，必須注重和加強坡口處的設計工作。與此同時，如果發(fā)現(xiàn)連接處的錐形過渡段內(nèi)外兩個長度之間是不一致的，也是正?，F(xiàn)象?；诖耍捎谠O備最大應力對球殼與圓柱形筒體間的錐形過渡區(qū)內(nèi)邊高度尺寸敏感，從本次實驗出發(fā)，建議在此位置設置U型的坡口，然后使坡口的方向處于容器內(nèi)側(cè)一面，隨后設計靠近內(nèi)表面的錐形過渡區(qū)高度—L1值在實際設計范圍內(nèi)，從而更好地保障最佳的應力集中系數(shù)。

然而，DesignExploration的作用主要是幫助相關設計人員對產(chǎn)品設計過程中以及使用過程中存在的問題進行進一步確定，分析其存在的重要影響，并為相關的工作人員提供極大的便利條件，以便于工作人員再發(fā)現(xiàn)問題的過程中，將問題科學有效的解決，對性能的進一步提升有積極的意義和深遠的影響。

6 結(jié)語

綜上所述，壓力容器具有一定的特殊性，因此，數(shù)據(jù)的精確性就顯得極為重要。文章主要針對某壓力容器中結(jié)構(gòu)尺寸所存在問題展開了的優(yōu)化設計，并對其進行了相應的闡述，旨在更好地對AnsysWorkbench中DesignExploration加以研究。實際上，該方法在各種領域應用十分廣泛，無論是靜止的化工設備還是運轉(zhuǎn)中的內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)、屈軸等復雜壓力容件都可以用該方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其應力值趨于最小、優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)重量輕、運行穩(wěn)定的效果。