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基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化

技术应用 | 作者:admin 发布日期:2017-06-10 查看次数:88

核心提示:  董龙梅杨涛孙显(内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特010051)j应用ANSYS软件对平板封头压力容器进行应力分析和结构优化设计。结合机械优化设计方法,采用ANSYS软件中提供的一阶优化方法,得到精

  董龙梅杨涛孙显(内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特010051)j应用ANSYS软件对平板封头压力容器进行应力分析和结构优化设计。结合机械优化设计方法,采用ANSYS软件中提供的一阶优化方法,得到精确方案,在满足应力强度要求下容器重量j下降4.7%,优化结果明显。该方法对压力容器在工程中的应用起到一定作用。

  j:ANSYS;压力容器;应力分析;结构优化随着核容器和大型化高参数化工容器的广泛使用,以往所采用的基于弹性失效准则的按“规则设计”方法已不能完全适应工程设计的要求,基于塑性失效准则的分析设计越来越多的应用到现代容器的设计中。分析设计的基础首先是对容器关键部位进行应力分析,对载荷和应力进行分类。ANSYS作为最通用有效的有限元软件之一,在压力容器的应力分析设计中得到了广泛应用。

  在传统的压力容器设计中,为了保证容器的安全性,设计者总是尽量增大容器的壁厚,以增强容器的承压能力。随着分析设计概念的提出,设计者越来越多地对压力容器结构进行优化设计。

  优化设计是一种寻找确定最优化设计方案的技术,最优设计方案可以满足所有基本设计要求,而且所需支出如重量、体积及成本)为最小。优化设计的对象很广泛,比如,尺寸如厚度)、形状如过渡圆角的大小)、支撑位置、自然频率、制造成本,以及材料特性等。为了提高平板封头压力容器的可靠性和安全性,减轻容器重量,使容器中应力分布更加均匀,过有限元软件ANSYS,结合机械优化设计方法,采用一阶优化方法进行特定压力容器的机械优化设计。

  1压力容器的应力分布压力容器设计时,一般首先按照“等安全裕度”准则,对压力容器中的应力进行分类,然后按照各种应力的作用及性质判断其危险性而给予不同的控制值。

  压力容器中,由内压产生的薄膜应力为一次总体薄膜应力Pm;由满足结构连续所需要的自平衡应力威二次应力Q,其发生在结构的不连续处,可以由机械载荷或热膨胀差引起;由局部结构不连续和局部热应力的影响产生的应力为峰值应力F;由内压或其他机械载荷在结构不连续区产生的薄膜应力为一次局成面,建立二维模型,结构采用ANSYS软件提供的8个节点的轴对称单元PLANE82划分网格。

  2.3施加载荷及应力分布压力容器内表面承受的内压力为设计压力2.1MPa,平板封头对称面施加对称约束,筒体端部施加轴向约束。求解得应力结果,如所示。

  迭代次数网4状态变童随优化次数的变化规律f*2优化前棋萤应力云田从应力云图中,可见最大应力强度出现在不连续几何部分,即应力释放槽圆弧上,最大应力值为241.49MPa. 3优化设计3.1优化参数设计优化方法是使单个函数目标函数)在控制条件下达到最小值的方法,一般分为两种方法:零阶方法直接法)和一阶方法(间接法)。一阶方法是使用偏导数,即使用因变量状态变量和目标函数)的一阶偏导数,精度很高,尤其是在因变量变化很大,设计空间也相对较大时。

  为了对平板封头压力容器模型进行精确分析,得到优化设计方案,采用了ANSYS软件所提供的一阶方法。在进行优化设计时,选定厚度TbT2作为优化设计变量。容器的最大应力值SMAX作为优化设计的状态变量。压力容器重量WT为目标函数。优化设计时仍采用ANSYS有限元软件提供的8个节点的轴对称单元PLANE82,最大迭代次数20次。

  3.2优化结果通过上述优化方法进行参数优化设计,并且得出相应的优化结果,其中设计变量Ti、T2随迭代次数变化,如所示,状态变量SMAX随优化次数的变化规律,如图所示,目标函数WT随优化次数的变化规律,如所示。

  制40迭代次数设计变量rlT:r3随迭代次数变化困目标凼数ffT随优化次数的变化规律由图中可以看出,各状态变量及目标函数随迭代的次数的增加向最佳设计方案逼近,由曲线变化可以看出逼近效果良好。3.3优化后容器各参数变化优化前后主要参数变化情况,如表1所示。

  表1优化前后主要参数对照表参数优化前优化后从优化前后结果可以看出,压力容器筒体半径Ti从19mm降到17.018mm,平板封头厚度T2从58mm降到57.620mm,目标函数WT下降了大约4.7%,最大应力值也有所下降,优化效果明显。

  4结论应用有限元软件ANSYS对压力容器进行结构优化,在容器重量WT下降低了大约4.7%基础上,结构不连续区最大应力值也有所下降,优化结果明显,满足了技术指标及机构轻量化的目标,进而很大程度上减少了设计及制造成本,使产品设计更为合理。


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