基于AnsysWorkbench的压力容器结构尺寸优化设计

吴磊(江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院，江苏 泰州 225300)

0 引言

通常情况下，对两种厚度不同的压力容器进行连接时，采用的设计手段便会锥形过渡段-削边连接，其中主要效果决定于锥角与锥形段长度的影响[1]。一般而言，这种链接方式的原理就是借助壳体厚度或是外边顶点进行直线连接，从而达到自身的需求，其中，一旦确定了锥形的过渡段，锥角也会随之形成。与此同时，由于壳体在厚度问题上存在一定的差距，因此，实际锥形过渡存在两种内外长度，只有进一步确定此段长度，才能使得容器的结构得到优化，进而减小此结构中的应力集中系数，此为所有的研究人员均需要考虑的问题。借助AnsysWorkbench系统中的DesignExplo-ration将其中存在的问题加以分析，随后提出优化措施[2]。

1 问题描述

如图1所示。某高压容器的主题结构尺寸主要为：筒内径R为775 mm，壳体的厚度t为100 mm，封头的内径为800 mm，高压容器主体结构尺寸：筒体内径R厚度则是48 mm，过渡段的长度L为95 mm。其中设计的压力为16 MPa，原设计温度为260 ℃，材料为Q345R，此温度环境下，材料的许用应力为130 MPa，弹性模量为1.87 GPa，泊松比为0.3将锥形过渡段实现优化后，使球壳和筒体的锥形过渡连接区的应力集中系数最小[3]。

图1 容器结构

2 解决思路

总的来说，实施锥形过渡阶段的优化工作，实际上是指对过渡段长度的一种优化，所以将锥形过渡过程中的长度1与长度2作为便量设计目标，从而展开一系列优化设计[4]。在此过程中，所有优化工作的开展与实施，其主要的目的便是进一步发现问题、分析问题和解决问题，致力于更好地提高结论的精确性和可靠性，从而实现对过渡段连接处应力集中系数的最小化，因此，需要以下目标函数建立与支撑：

式中：K为应力集中系数；Smax(L)为球壳与圆筒壳通过线性过渡段连接结构中的最大当量应力；S为当量模量，对于球壳，当量模应力S=PR2/(2t2)，而对于圆筒壳体，其当量模应力S=PR1/t1。

根据理论的应力计算结果来看，在进行压力容器的设计过程中，当外壳和容器内部确定后，相应的应力数值也随之进行确定，在本次研究过程中所出现的应力集中系数最小，是在研究中压力容器的过渡结构中，避免在模拟过程中出现试载力过大，造成模型的破坏，因此所设置参数为应力最小的允许范围内，结合标准 GB/T 150—2011或 JB 4732—95，过渡段长度尺寸L约束条件需满足：L≥3[(R1+t1)-(R2+t2)]=3[(775+100)-(800+48)]=81 mm[5]。

3 AnsysWorkbench数值模拟过程

Ansys模拟过程中，需要对实体模型进行简单的约束和加载分析，先要在建立的模型中进行优化和简化。由于有限元分析过程中，会对于不同结构进行网格化分割，同时还需要做好相关的曲率参数的设置，由于模型的数值分析需要大量的计算，这些基本的参数没有得到调整或者没有进行简化，在进行应力计算过程中需要耗费大量的计算时间，同时也会产生因网格化不合理可能会出现较大的结果偏差，从而影响到应力结果的准确读取。在模型简化过程中，首先是对该实体模型的圆角、曲面、螺孔等一些影响因素较小的特征进行消除，后续对整体的网格化应用和曲率的调整会更加便利[6]。

压力容器作为一种重要的储存设备，其应用范围十分的广泛，因此，AnsysWorkbench的数值模拟就显得极为重要，相关工作人员必须对此予以充分的重视，进而通过不断加大研究力度和实践力度，最大化地保障AnsysWorkbench数值模拟的科学性、合理性和有效性。在此基础上，通过AnsysWorkbench数值模拟，可以更好地实现自动划分网格的功能，该功能对于数值的模拟有着积极的意义和深远的影响，是数值模拟的前提和保障，有着不可或缺的重要作用。与此同时，通过AnsysWorkbench模拟的过程中，还可以根据压力容器自身的结构状况，从而根据具体情况和实际需求展开对网格的数量和大小的划分工作，整个过程中所体现的自动化技术和智能化技术，在一定程度上可以更好地解决压力容器方面的存在的诸多棘手问题。

在此基础上，针对模型的建立问题，还需要进一步加强对压力容器进行有限元的分析。针对有限元的分析，首先，必须考虑到压力容器的特殊性，特别是在形体上所体现出来的差异性，与此同时，也正是由于这些差异性，导致了边界形式的多样性。基于此，必须根据实际的情况做出相应的分析，不能一概而论。其次，为了进一步保障模型的精确度，有效地提高模型的可靠性和实用性，在建立模型的过程中，也要适当的对模型进行科学、合理的简化，有效的避免复杂性所带来的弊端问题，进一步提高计算效率和精确性。

实施尺寸确定之前，应该将容器结构的对称性进行充分考虑[7]。筒体的长度值选定为1 200 mm，以此来进行2D参数数化模型的建立，设计过渡段L1与L2的长度参数变量为P1与P2，随后进行边界条件设置、载荷施加以及网格划分，如图2所示。在模型中将材料参数进行正确输入，选择等效应力Equivalent(von-Mises)，进一步求解。详细结果显示，筒体封头连接处的等效应力最大为204.16 MPa，发生在球形封头与过渡段连接处[8]。取Equivalent(von-Mises)最大应力作为输出变量P3，然后基于DesignExploration中的实验设计实现对目标驱动的优化，进一步会将样本数值确定为40，ExecuteAllSimulation为自动停止类型。随后，更改变量L1与L2的值，上下限值为81与 105。

图2 边界条件

进行设计点的更新，经过检测和分析后，可以发现系统总共存在10个不同的设计点值，随后，必须根据实际情况进一步加强对相关设计得到设计点值的拟合工作。与此同时，也要注重对各个参数进行科学的优化和合理的调整，进一步提高其敏感性能。经研究表示，当球壳与筒体的内边间距尺寸L1对MISES应力值的影响最为敏感，与此同时，可以分析得出该应力值随内边的距离的增大而减小，对外边距离敏感性较低。将最大等效应力(P3)目标设为小，重要程度设为高，更新优化，DesignExploration产生了3组候选优化设计点，最大MISES应力值已降为202.8 MPa。取L1=104.98 mm、L=93.517 mm候选点，并将其插入设计点进行进一步优化工作，并及时有效的更新所有的设计点。

将L与L2两个变值的正式设计点从参数表中进行导入，进而可以得出如图3所示。压力容器优化后的应力云图，其最大的应力值为202.76 MPa，分析图3可以看出，原本的筒体与原球壳之间的锥形过渡连接处的应力值呈现明显的下降趋势，除此之外，原本的应力集中系数从整体上来看，也呈现下降的趋势。值得说明的是，在整个过程中，我们还可以发现仍然具有两个点的应力值与候选点的值相对接近，因此选择的另外两点并无较大的差距[9]。

图3 优化后的容器应力云图

4 封头的形成

就目前的情况而言，我国对于封头形成方法的研究受到了多方面因素的影响，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体上可以分为冲压和旋压两种方式，具体内容如下：

首先是冲压成形法，该方法对于机械设备的要求相对严格，一方面必须提供水压机，进一步保障冲压压力；另一方面，还需要注重冲压模型的精确性，主要包括模具的上模、下模、压边圈。与此同时，由于模具制作材料的特殊性，其在制作过程中具有一定的复杂性和难度，故而必须充分考虑到工作人员的专业能力问题。通常来说，制作一副冲模，一般只能压同一规格的封头，如果要冲压一些其他类型的封头，例如一些非标准的封头，则需要添加大量的模具，大大加剧了劳动力与成本，还需花费大量时间。

其次是旋压成形法，该方法受到了石油化工领域的影响，随着对封头需求量的不断增加，对封头的形成法有了更高层次的要求和标准，该方法受到了社会各界的广泛关注和重视。现阶段，旋压成型法以其特有的优势和用途达到了批量生产的目的，也是当前国内国外批量生产封头的重要方式和常用方式。

封头的旋压成形法通常可以分为联机法和单机法两种。所谓联机法，就是通过封头模拟成形，模拟分为压鼓和滚边两个环节，且是一个独立的过程，更加便于工作人员进行操作。而单机法是将板料根据相应的顺序及作业流程实施成形工作，旋压法的原理就是通过利用板料旋转，从而使得一些模具能够根据实际需求逐渐变形，且整个流程具有智能化、自动化、精确性，最终形成所需要的模具。例如，当封头规格不相同时，就可以通过调节主轴与尾架之间的距离，并使内外滚轮的回转臂半径长度与之相适应，其在操作的过程中具有可操控性，较冲形成法来说，更加具备方便、快捷、灵活的特点，可以在一定程度上减少了人力、物力、财力的投入，达到降低成本的目的。在此基础上，也就意味着工作人员的专业性占据主导地位，人为因素将直接影响封头压制的质量和效率，对工作进程的顺利性有着直接性的影响。因此，在运用联机法的过程中，首先必须注重提高和保障工作人员的专业能力和专业素养，且能够对常规的操作技能进行熟练、灵活的掌握，对工作的严格性和高效性要求较高。除此之外，该方法的优势还表现在对模具、封头直径等其他方面的局限性较小，也不存在一种冲模只能压制一种规格的模具问题，就大大提高了模具的可利用率，只需添加相应的测量样板即可进行生产和加工工作，进而有效地提高了经济效益。由此可见，旋压成形的效果十分显著，且其优化设计结果在实际生活中的应用十分广泛，在实际生产中很容易实观。

从上例可以看出，设计参数是极为重要的，任何一个压力容器都存在最佳的设计方案，但是必须清晰地明确计算范围，并保证优化内容。与此同时，在设计参数的过程中，也必须注重提高整体的质量和效率问题，在保证质量和效率的同时要进一步提高经济效益，节省安装空间。除此之外，一个最佳的设计方案，必须要建立在可以达到现实条件的情况下，才能保证实际效益的最大体现。

5 AnsysWorkbench数值模拟实现高压容器优化设计

通过采用AnsysWorkbench数值模拟过程实现了高压容器的优化设计，并对其进行了分析和探讨，最终得到了一个容器参数的最佳应用值范围。从结论数据的角度来分析，我们可以得出高压容器的筒体与球壳之间的参数范围是至关重要的，特别针对链接处的锥形段，存在一个最优化的结构尺寸。但是，需要特别注意的是对于此段长度有着严格的标准和范围划分，取值范围必须精确，不可以随意进行取值。经过分析可以得出，其范围主要介于L1为105 mm，L2取值为93.5 mm。此时，将会呈现出结构应力集中系数最小化，此状态为最佳的结构尺寸。但是值得注意的是，在进行实际的容器制造过程中，对封头与筒体的连接方式均需要采用焊接来实现，因此，对于焊接的角度、技巧、工具的选择、焊接的质量、焊接的效率、焊接的规范性等方面需要有更加精密、严格的要求和标准。特别是针对接头处，必须注重和加强坡口处的设计工作。与此同时，如果发现连接处的锥形过渡段内外两个长度之间是不一致的，也是正常现象。基于此，由于设备最大应力对球壳与圆柱形筒体间的锥形过渡区内边高度尺寸敏感，从本次实验出发，建议在此位置设置U型的坡口，然后使坡口的方向处于容器内侧一面，随后设计靠近内表面的锥形过渡区高度—L1值在实际设计范围内，从而更好地保障最佳的应力集中系数。

然而，DesignExploration的作用主要是帮助相关设计人员对产品设计过程中以及使用过程中存在的问题进行进一步确定，分析其存在的重要影响，并为相关的工作人员提供极大的便利条件，以便于工作人员再发现问题的过程中，将问题科学有效的解决，对性能的进一步提升有积极的意义和深远的影响。

6 结语

综上所述，压力容器具有一定的特殊性，因此，数据的精确性就显得极为重要。文章主要针对某压力容器中结构尺寸所存在问题展开了的优化设计，并对其进行了相应的阐述，旨在更好地对AnsysWorkbench中DesignExploration加以研究。实际上，该方法在各种领域应用十分广泛，无论是静止的化工设备还是运转中的内燃机曲柄连杆机构、屈轴等复杂压力容件都可以用该方法进行结构优化，使其应力值趋于最小、优化结构性能，实现重量轻、运行稳定的效果。