可靠性方法在压力容器设计中的应用分析

吴新颖 郑娇丽 昌敬源

摘 要：在压力容器的设计中，有效运用可靠性方法，能够优化设计方案的合理性。基于此，本文从可靠性设计、设计方法评估这两个方面详细阐述了可靠性方法在压力容器设计中的应用，实现了对压力容器设计措施的深入分析，希望能够为压力容器生产水平的发展提供助力。

关键词：压力容器;算例模型;设计参数

1 分析目的

就目前来看，化工、石油、航天等领域都需要应用承压设备，而压力容器作为承压设备的核心结构，其内部设计的合理性和科学性，直接影响着各领域的生产水平，因此，工作者需要做好压力容器的设计工作，以满足各领域的运作发展需求。在此过程中，可靠性方法是现阶段衡量设计方案可靠性的重要分析方法，设计者通过将可靠性方法应用到压力容器的设计中，有助于寻求出更加优质的设计方法，并验证各类设计方案的合理性，确保压力容器可以满足实际使用需求。为此，研究者需要针对可靠性方法在压力容器中的应用开展分析，然后根据分析结果，协调可靠性方法的应用措施，充分发挥其在概率分析上的效用，同时，有效运用可靠性方法在处理复杂资料、数据上的优势，深入优化设计工作的准确性和效率，促进各领域生产水平的可持续优化。

2 分析过程

2.1 在可靠性设计中的应用分析

2.1.1 基本流程设计

可靠性设计是指针对产品可靠性开展的预计、分配、技术设计等工作，因此，在压力容器设计中，可靠性设计主要是对压力容器可靠度的设计。在此过程中，工作者需要采用可靠性方法，来进行概率分析，以获得压力容器各部分的可靠度预计效果，为容器设计方案的初步制定提供依据。为此，工作者可以借助采用有限元概率设计的方式，基于可靠性方法，进行压力容器产品的可靠度设计。该设计流程主要包含创建分析文件、初始化概率设计分析及参数、制定分析文件、定义概率设计模型、选择设计方法及工具、启动设计分析、拟合使用响应曲面、设计结果处理。待该流程执行完毕后，工作者即可按照最后得出的可靠度设计结果，进行压力容器的细部设计，以保障设计方案效果得以顺利达到预期。

2.1.2 设计参数构建

在可靠性方法的视域下，设计参数主要包含输入和输出两种，其中输入参数，如材料参数、几何参数等，通常被考虑为具备一定分形式的随机变量，以便于得出输入参数为输出参数所带来的影响，因此，在同一概率设计模型中，工作者可以将一个或多个输入参数看成随机变量，并且这些随机变量之间，可以具备一定的相关性，也可以完全独立，但如果情况不同，那么输出参数肯定会受到不同的影响，由此可见，只要工作者能够设置一个正确的输入变量分布形式，那么此时得出的输出变量分布，即可被认定为可信赖的。而这种基于可靠性方法构建的设计参数，相较于常规模式下，仅依赖于安全系数說明的设计参数，显然更加准确。

2.1.3 取样

在可靠性方法的应用中，每次对设计方案的验证都需要使用不同的输入变量组合，然后最终得出相应的输出变量。因此，在实际取样操作中，工作者通常会采用响应面法、随机模拟法两种取样方式。其中响应面法主要用于并行计算，借助该方法所获得的采样点，能够预先定义与精准控制响应数值的近似度以及拟合系数表示的近似函数，并且支持用自定义取样形式，同时，所需循环次数也比随机模拟法要少。在随机模拟法中，系统需要先将随机变量代入到功能函数中，然后得出一个函数值，如果该函数值≤0，则系统就会记录一次失败实现，若该函数值≥0，就不计入，并认定计算完成一次，并产生下一个随机数，重复上述计算过程，直到完成设定的试验次数，此时，失效概率可以表示为代数：

其中g（x）为功能函数、n为既定计算次数、k为此次计算次数位置。在可靠性方法应用中，人们发现这种方法的得出的结构可靠度具有较高的精度，能够更好地发挥可靠方法的优势，因此，现阶段随机模拟法已经成为了一种较为广泛的可靠度计算方法。

2.2 在设计方法评估中的应用分析

2.2.1 算例模型

在设计方法上，工作者利用可靠性方法，可以衡量各类设计方法的可靠度，以选择合理的设计方法，来进行压力容器设计，以保障设计方案的合理性与科学性。为此，研究者为了实现对可靠性方法应用的深入分析，采用了现阶段常用的三种确定性设计方法，即应力分类法、弹性下限极限法、极限荷载分析法分别进行了压力容器设计，然后基于这三种设计方法所得出的设计方案，进行了可靠度分析，具体分析了可靠度方法在压力容器设计中的应用。在此过程中，研究者需要在进行确定性设计之前，建立算例模型，为后续的设计环节提供依据。在算例模型构建中，研究者利用了轴对称的建模方式，构建了一个结构相对简单的球形容器，并设此次设计的压力容器内径Ri为50mm、壁厚t为10mm，然后截取了容器的1/4进行建模，设其中的杨氏模量E为212000MPa、屈服强度Sy为344.75MPa、泊松比V为0.3。之后，研究者向其表面均匀施加了10MPa的压力，对模型两端节点设置了对称约束，并采用轴对称的方式，来构建算例模型，同时，不考虑温度因素，仅考虑塑性垮塌时效模式，然后将许用应力，设置为2/3的材料屈服强度[1]。

2.2.2 确定性设计

在此次研究中，研究者采用了应力分类法、弹性下限极限法、极限荷载分析法，这三种方法的计算结果如表1。在此过程中，研究者均采用了1.5的安全系数，并通过上述方法得出了该球形容器需用荷载，分别为84.48MPa、76.64MPa、83.625MPa。

2.2.3 设计方法可靠性评估

在可靠性评估中，研究者需要建立一个可靠性方法模型，然后向模型中输入屈服强度、几何尺寸、杨氏模量等材料参数，以及特征值和变量分布函数。在此过程中，只考虑三种方法所对应的输入变量之间不存在关联，且相互独立，因此，在实际操作中，研究者需要将输入变量关系系数设置为0。此外，在此次评估中，研究者均采用了随机变量模拟法，并使用上述这三种方法，进行了500次的设计验证，最后得出了评估比较结果，如表2。

3 结果分析

根据上述评估结果，可以直观地看出，AME方法最优，其次为LIMIT，最后为DBA-L。在此过程中，研究者发现，LIMIT的许用荷载方差最小，ASME计算结果方差最大，同时，LIMT与ASME的计算值偏差均为负值，由此可以看出其保守效果较低，而DBA-LD的偏差值为正，说明其具备较好的保守性。之后，研究者采用了敏感度分析法，来验证可靠性方法评估结果，发现通过可靠性方法得出的评估结果比较准确[2]。

4 结论

综上所述，基于可靠性方法的压力容器设计，能够增强设计方案的可靠性。经过上述分析可知，可靠性方法无论是在可靠度设计，还是具体的压力容器参数设计中，都呈现出了比较优质的应用效果，因此，工作者将该方法用于压力容器的设计者中，能够促进设计工作的优化发展。

参考文献：

[1]臧财宝.可靠性方法在压力容器设计中的应用[J].现代盐化工，2020，47（03）：55-56.

[2]孙小虎.可靠性方法在压力容器设计中的应用研究[J].山东工业技术，2018（15）：64.