压力容器分析设计的结构优化方法

第 3 5卷 第6期 2 0 0 6年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V0 1 3 5 N o 6 De c e m b e r ， 2 0 0 6 压力容器分析设计的结构优化方法 刘 金 纯 ( 中国石 油集团工程设计有限责任公司抚顺分公司，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 6 ) 摘 要： 压力容器应力分析设计法正在我国石油化工等行业得到迅速地普及应用。应用 A N S Y S 软件提供的参数化设计语言和优化设计等高级分析技术， 可 以采用一种新的“ 结构优化法” 进行 压力容器的应力分析设计。该方法具有设计计算周期短、 工作量小等优点， 具有应用推广价值。 关键词： A N S Y S ；压力容器；应力分析；优化设计 中图分类号： T Q 0 5 1 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 0 4 6 O ( 2 O O 6 ) O 6 0 4 1 8 0 5 随着我国压力容器设计观点、 设计方法和设 计标准的不断更新 ， 以及 电子计算机技术的快速 发展 ， 应用有限元分析程序对压力容器进行分析 设计这一先进的设计方法正在石油、 化工、 核工业 等行业的设备设计工作 中。 得 到迅速的推广。在 众多可用的通用和专用有限元软件 中， A N S Y S做 为最通用有效的有限元软件 之一 ， 也在压力容器 的应力分析设计 中得到了广泛应用。 应用有限元分析程序进行压力容器应力分析 的标准过程都是根据设计条件， 用解析计算方法 或根据经验值确定容器的初始结构尺寸， 按照该 结构尺寸用有限元程序建模 、 求解 。 再对得出的应 力分析结果进行强度评定。如果强度评定不合格 则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改， 然后 再次建模、 求解 ， 进行强度评定， 如此反复， 直至强 度评定合格为止 。用这种方式进行压力容器的应 力分析设计存在以下一些不足： ( 1 ) 设计人员工作量大， 设计计算的周期长； 特别是模型较复杂或修改较多时 ， 更是如此。 ( 2 )对设计 人员 的工作经验要求比较高， 同 一 台容器， 不同的人员设计 ， 往往会得到差异较大 的不同结果。 ( 3 ) 对 容器各部分 ， 尤其是形状 比较复杂部 位结构尺寸的确定往往偏于保守， 造成材料浪费。 现在， 利用 A N S Y S 程序提供的参数化设计语 言( A D P L ) 和优化设计等高级分析技术， 可以采用 一 种“ 结构优化法” 进行压力容器的分析设计和结 构优化。所谓的“ 结构优化法” ， 就是以应力强度 S 、 S 、 S m 、 S 满足设计标准要求的应力强度控制 值作为约束条件 ， 通过 A N S Y S的优化设计功能 ， 求得使容器重量最小的容器结构尺寸。它与一般 方法的主要区别是将以往由人工确定初始结构尺 寸变为由软件通过计算 自动确定 ， 并且软件给出 的这些结构尺寸是满足应力强度控制条件的优化 值。 1 “ 结构优化法 ” 的基 本过程 “ 结构优化法” 的基本过程如 图 1 所示。 在这一过程 中， 为简化计算和便于各应力强 度的控制， 将容器结构参数的优化分为“ 优化容器 基本结构参数” 和“ 优化容器局部结构参数” 两个 步骤来进行 。容器基本结构是组成容器壳体结构 的简体、 封头、 接管 、 管板等基本板壳部件( 简称元 件) 。 收稿日期 ： 2 0 0 6 1 O 一 2 5 修订 日期 ： 2 0 0 6 1 1 o 4 作者简介 ：刘盘纯( 1 9 7 1 一) 男 。 高级工程 师， 辽宁抚顺 人， 1 9 9 3年 毕业于抚顺石油 学院化工 设备与机械 专业。 主要从事石 油化 工 设备 的设计工作。电话： 0 4 1 3 7 5 9 3 7 8 2 。 维普资讯 2 0 0 6年 l 2月 刘金纯：压力客器分析设计的结构优化方法 4 1 9 确定设计条件 l 结构分析 确定设计条件 l l 结 构 分 析 i I 优化容器基 l 奉结构参数 图 1 结构优化法的基本过程 F i g 1 T h e b a s i c p e s s o f s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n me t h o d 容器基本结构参数指 的是在不考虑应力集中 和边缘效应 的情况下 ， 元件的结构尺寸。“ 优化容 器基本结构参数” 是 以参数化建模 的方式分别分 析计算各个元件在设计外载作用下 ， 不受其它元 件约束， 可以 自由变形时的应力分布。然后 ， 选取 可能 出现最大一次整体薄膜应力( P ) ， 最大一次 薄膜加一次弯曲应 力( P +P ) 的全部截面进行 应力线性化 ， 再 提取 各应力 强度作 为 状态变量 ( S V ) ， 体积 、 重量等作为 目标函数( O B J ) ， 以元件 结构参数作为设计 变量( D V ) 进行优化设计。这 样， 在确定使各个元件重量最小 的基本结构尺寸 的同时， 满足分析标准对一次 总体 薄膜应力强度 S K S ， 一次薄膜加一次弯曲( P +P ) 应 力强 度 s m1 5 KS 的要求。 容器局部结构是将组成容器的元件联接起来 的各个局部联接结构和局部补强结构。如封头与 筒体联接结构、 开孔补强 、 封头与裙 座连接结构 等。容器局部结构参数指的是在考虑应力集 中和 边缘效应 的情况下 ， 壳体过渡段高度， 开孔补强过 渡圆角半径等容器 局部结构 的结构尺寸。“ 优化 容器局部结构参数” 是 以参数化建模 的方式分别 分析计算各个容器局部结构在设计条件下的应力 分布。 选取可能出现最 大一次局部薄膜应力( P 。 ) ， 最大一次薄膜加一次弯曲应力( P +P ) ， 最大一 次加二次应力 ( P +P +Q) 的全部截面进行应 力线 性 化 ， 再 提 取 各 应 力 强 度 作 为 状 态 变量 ( S ) ， 体积、 重量等作为 目标函数( O B J ) ， 以容器 局部结构 参数作 为设计 变量 ( D ) 进行 优化设 计。这样 ， 在确定使容 器局 部结构重量最小的结 构尺寸的同时， 满足分析标准对一次局部薄膜应 力强度 S 1 5 K S ， 一次薄膜加一次弯曲( P + P b ) 应力强度 S 1 5 K s ， 一次加二次应力强度 S 3 KS 的要求。 2 “ 结构优化法” 的应用实例 下面， 以某热壁加氢反应器为例说明“ 结构优 化法” 的具体实施方法。该 反应器 的设计条件及 材料物理性能如下 ： 设计压力 ： P = 1 1 0 3 MP a ； 内壁操作温度 ： T i = 4 5 0； 外壁操作温度 ： T o =4 0 0； 简体内 径 ： Di =3 6 1 4 m m； 封头半径 ： Ri =1 8 3 4 m m； 载荷系 数 ： K = 1 ； 设计应力强度 ： S m=1 6 5 M P a ； 弹 性 模量 ： E=1 7 4 E 5 M P a ； 泊 松 比： =0 3 ； 线 膨 胀 系 数 ： 口=1 1 4 E一6 n l l i 1 r fl l l l ； 热 导 率 ： =3 0 w ( m K) 。 在完成容器的“ 结构分析” ， 确定容器的基本 结构形式和局部结构形式之后， 进行容器基 本参 数的优化。 维普资讯 4 2 0 当 代 化 工 第 3 5卷第 6期 先将反应 器壳体分解为 相互独立 的若干 元 件， 对各元件分别进行优化。 y X 圈 2 筒体 的结构简 圈 F i g 2 S t r u c tu r a l d i a g r a m o f s h e l l 以简体为例 ： 将筒体视为无限长圆筒， 如图 2 所示 进行 参 数 化 建 模， 选 取 8节 点 P L A N E 7 7 分析文件清单如下： ( P L A N E 8 2 ) 单元进行映射网格划分， 用间接耦合 法分析其在内压和热应力作用下 的应力分布 ， 参 数化提取最 大应力强度。然后 以壁厚 B为设计 变量( D V ) ， 简体内的最大薄膜应力强度 S I N T - M I ( S 最 大薄膜 加弯 曲应 力强 度 S I N T S 1 5 I ( S 作为状态变量( S V s ) ， 模型截面积 A R E A=B x L 作为目标函数( O B J ) ， 采用零 阶方法进行优化。 优化结果 ： S I N T M( S V ) 1 6 4 6 2 S I N T S ( S V ) 2 3 2 4 5 B =2 0 1 D E F I N E P A P AM E T E R ， 陬 E P 7 E T。 1 。 P LA NE 7 7 ， ， 1 MP。 KX X 。 1 。 K XX1 K 1 。 DI AME S H 1 NS E L。 S。 L O C X DI D。 A L L。 T E MP， T I NS E L， S， L O C， X。 DI +B D。 AL L T E MP。 T O N S E L AL L S 0L VE E T C HG 几 KE Y OP T 1 3 1 KE YO P T。 1 。 6 ， 4 MP， EX， 1 ， E X1 NS E L S。 L OC Y。 0 D。 A L L。 UY N S E L， S， L OC Y。 L C P。 1 U Y。 AL L S F。 ， P RE S P L DR EAD。 T EMP。 。 r t h S 0L VE AR EA=5 0*B L I； r - N O D E= N O D E( D I 0 。 O ) R T - N O D E= N O D E( D I +B， O ， 0 ) P A T H S T RE S S 2 4 8 P P A TH， 1 ， U=- I - N ODE B AREA !TH ERMAL S OL U TI ON * * !A x I S Y MM E T R I c K E Y O P T ( S )o F r I O N !MAT E m AL P R0P E 肌ES !DE FINE KEY P OI N T S，L I NE S。AND A REAS !MA P P ED ARE A MES H ( D， ) ( O B j ) 1 2 5 6 9 6 2 8 4 6 1 AP P I Y T E MP E RA1 1 J 砌强 TO I NNE R A ND OUr E R S URF AC E S !CH ANGE EL EME NT 1 竹 E P L ANE 7 7 T O P L A NE8 2 1 AXIS YMM。P RI N T S TRE S S ES ON NO NZ ERO P RES SF AC E S DE FI N E S r RUC TU R AL PR 0P E R1 I ES ! S E TU P L O N G C Y L I N D E R E F F E C T !C O UP L E A XI AL DI S P L A CE ME N TS AT UNC ONs 1 卧I NE D Y EDG E !D E HNE L OAD I t EA D I N B0 DlY F l0 RC E T E MP E RA TUR ES !D EFINE P ATHWI TH NAME = s 1 REs s ” !D E兀NE P AT H P OI N 1 S B Y N0D E 维普资讯 2 0 0 6年 1 2月 刘金纯： 压力容器分析设计的结构优化方法 4 2 l P P A1 “ 1 t 。 2 R T- NODE P RS E C T 一 l C研 l NT S I NT - M ； S 1 M S I Nr _ S=S I S F I N I S H !P R I N T L I N E A R I T D s 1 RE s s E S !C AL L G研 I NT MA C I l0 CA CUL A T E t E S S I N 1 ENS Y 其 中， G E T S I N T MA C是一个 提取沿指定 路 径进行应力线形化后 ， 该路径上最大薄膜应力强 度 s I M和最大薄膜加弯曲应力强度 S I S的宏。 用类似的方法 ， 可以对球形封头 、 接管等其它 元件的结构尺寸进行优化。完成容器的基本结构 参数的优化后 ， 将得到的各个元件的结构尺寸作 为设计条件的一部分 ， 进行容器局部结构参数的 优化。以球形封头上大开 口处的补强结构为例： 该补强结构 的结构及 尺寸如 图 3所示 。其 中， 封 头半径 R =1 8 3 4 ， 接管半径 R =7 7 8 2 =3 8 9由设 计条件确定 ； 封头壁厚 B ：7 5 ， 接 管壁厚 B I =5 0 在“ 优化容器基本结构参数” 时确定。将该补强结 构和与之相联接的封 头、 接管按轴对称问题进行 整体 参 数 化 建 模 ，选 取 8 节 点 P L A N E 7 7 ( P L A N E 8 2 ) 单元进行 自由网格划分 ， 用间接耦合 法分析其在设计条件下的应力分布， 选择可能 出 现各类最大应力组合 的截面 ， 参数化提取最大应 力 强度。以 日。 、 A、 曰 、 曰 y J 、 Y j l为设计 变 量 ( D V ) ， 筒体内的最大薄膜应力强度 S I N T M1 5 l ( S 、 最大薄膜 加弯曲应力强度 S I N T S 1 5 K s 作为状态变量( S V ) ， 接管锻件的总体积 V T O T作 为目标函数 ( o B J ) ， 先采用随机搜索法 进行随机 搜索并删除所有不合理 的设计 ， 然后用零阶方法 分析文件清单如下 ： R = 1 8 3 4 ， P RE P 7 ET， 1 ， P L AN E 7 71 MP， KX X ， 1 ， K XI K， 1 ， R1 ， L A L AL L S MR T， 2 MS HA。 0。 2 D AME S H， 1 D， AL L， TE MP， T I D， AL L， TE MP， TO A U E L AL L 进行优化。 图 3 封头 大开 口的结构筒 图 F i g 3 S tr u c t u r a l d i a g r a m o f t h e b i g o p e n i n g i n h e a d 优化结果 ： S I N T - M( s v ) 1 9 2 6 4 S I N T - S ( s v ) 2 3 9 8 3 H 1 ( D V )4 0 0 9 3 B 2 ( D V )4 7 9 3 4 B 3 ( D V ) 5 5 3 7 8 Y J ( D V ) 1 3 0 8 8 Y J l ( D V ) 2 9 7 3 2 A ( D V ) 5 9 8 5 6 V T O T ( O B J ) 0 3 6 6 7 0 E+0 8 1 DE nN E P A RAME TER !T HE RMAL S O唧 1 ON * * ! A X I S Y MME T R I C K E Y O P T ( S )O P T I O N !DE F I NE K EYP O I N T S，L I N ES ，AND ARE AS U S I N G Q U A D S !A舢TE MP E RA TU RE S T o I NNE R AN D OU-I ER S URF ACE S 维普资讯 4 2 2 当 代 化 工 第 3 5卷第 6期 S OL 、 r E E T CHG TI S KE YOP T 1 3。 I K EYOPr 。 I 。 6。 4 MP。 E X， I ， EXI S F。 P R E S。 P I DRE AD。 T E MP r t h S OL V E 兀NI S H ， P 0s T l N S EL。 S ， LO C， X， RI ， R E S L N， S ， 。 E TA BL E。 E VO L。 VOL U S S UM *GE T。 、 r r 0 。 S S UM。 ITEM。 EV OL P A I H 。 PI ， 2 4 8 GEI s r N T S I NT - M =S I - M S I NT S：S I S P AT H P 5， 2 ， 4 8 GE T S I NT S I NT M =S I NT M S I M S r NT S=S I NT - SS I S 兀 NI s H 3 进一步设想 !CHAN GE E L EMEN T Tn E P L A NE 7 7 T O PL ANE 8 2 1 AXI S YMM。P RI NT S T RE S S E S ON NO NZ ERO P R ES SF A CES !D EHNE S T RU CT URA L P RO P ER TI ES !D E HN E L O A D !R EAD I N BOD Y F ORC E T EMP ER AT E fRE S !G ET V OL UME OF NOZ Z LE !DE F I NE P ATH Wi i i i NAME = ” P I ” !C AU GE T S I NT MA C T O C ACUL ATE S T RESS I N T ENS 兀 !D EF I NE P ATH WI TH NAME = ” I7 5 !C AI J _GE T S I NT MA C T O C ACUL A TE S T RE SS I N T EN S 兀 应用“ 结构优化法” 进行压力容器应力分析设 计与以往的标准方法相比， 具有设计周期短 ， 设计 人员工作工作量小 ， 容器各部分结构尺寸通过优 化方法确定 ， 有利 于避免材料 的浪费等优点。如 果再进一步， 预先编制好压力容器 中常见的元件 和局部结构的分析文件 。 和一个根据输入的设计 条件和选定的元件及局部结构 ， 自动调用相应 的 分析文件和优化方 法， 进行应力分析计算 的控制 程序， 就可以对常规结构的压力容器 自动进行应 力分析计算。如果上述设想能够实现， 将有力地 促进压力容器应力分析设计法 的普及 、 推广和发 展 。 参 考文 献 1 钢制压力容器分析设计标准， J B 4 7 3 2 9 5 ， 全国 压力容器标准化技术委员会 2 钢制压力容器分析设计标准 标准释义， 全国压 力容器标准化技术委 员会 S t r u c t u r e Op t i mi z a t i o n Me t ho d f o r Pr e s s u r e Ve s s e l s IJU, r b