文献翻译-大型球罐中喷嘴的单锥整体锻造加强件的优化

英文论文资料翻译 大型球罐中喷嘴的单锥整体锻造加强件的优化 摘要 ： 基于 “分析设计 ”的原则和尽量减少质量为目标，在一个被设定的准等强度标准推导出的压力限制下，结构优化研究被应用于大型球罐中喷嘴的单锥整体锻造加强件。其中， APDL（ ANSYS的参数化设计语言）和 OPT（优化工具）用于有限元模型参数和优化的建立。在参数方面，第二轮优化的重点是锻造半径和量纲半径曲线的确定，确定下来可以帮助设计者。 关键词： 准等强度标准 分析设计 球罐 加强件 优化 1.介绍 整体锻造加强件通常用于大型球罐的喷嘴，然而用于储存液化石油气、乙烯、丙稀、液化氮、氧气、液化天然气和城市煤气的大型球罐一般储存压力小于 4MPa，但最大尺寸内径达到 26800mm，容积达到 10000。 因此，它们总被认为是大型薄壁容器并按此规则设计。当按规则利用均等区域法设计整体锻造加强件时，很难确定加强范围。对于小喷嘴的情况，偶然会遇到指定有效范围的加强区域不充分。设计者增加了喷嘴的厚度，以增加有效范围，其中可包括更多加强区域。实际上，喷嘴跟球壳连接区的应力分布相对复杂。开始的部分和位移协议都关注应力集中。对于大型球壳的喷嘴，连续应力衰减区域是相当大的，有效加强范围不应该被等区域加强法的规定所限制。此外，像过渡半径作为结构特点一样，整体锻造加强件的加强区分布满足 “分析设计 ”守则，这种加强件可从 “分析设计 ”的角度被设计和优化。在本文中，大型球罐喷嘴的单锥整体锻造加强件优化的目的是从 “分析设计 ”的角度获得最小的锻造尺寸和满足应力强度校核。 2.整体锻造加强件的尺寸和其初始值的确定 图 1为单锥整体锻造加强件的说明图，主要尺寸是锻造高度 H，锻造半径 R，内部和外部的过渡半径，圆锥角。它们的初始值可以根据 “分析设计 ”守则确定，通过下面实例说明。 球罐内半径 =7100mm，厚度 =50mm，喷嘴内半径 =200mm，厚度=9mm，设计压力 P=2.1MPa，设计温度 t=50 。球罐和锻件的材料分别为 16MnR和 16Mn。设计应力强度分别为 =173Mpa、 =163MPa。弹性模量 E=,泊松比。加强件是跟球壳的焊接接头，焊缝系数为 1.0。焊缝分布如图 1所示。 图 1 锻造加强件的草图 根据守则，内部和外部的过渡半径应分别在和（ 0.5 1.0），在优化过程中它们的范围扩大到和（ 0.35 1.1） 。圆锥角应当在10 45。锻件半径 R可根据 “替代开放加固法 ”所描述的有效加强区确定，如图 2所示。 图 2 有效加强区域 锻件高度 H是一个独立的设计变量，它可通过锻件半径和圆锥角确定。加强件的边缘厚度比球壳厚 2mm。从而确定尺寸如下：R=500mm,=25mm,=40mm,=30 。 3.整体锻造加强件的优化设计 在 ANSYS里利用 APDL语言，有限元分析的参数模型被确定，在OPT的帮助下实现优化。 3.1有限元分析模型 轴对称有限元模型采用应力分析如图 3所示，其中包括球壳锻件的焊缝形态，而且考虑到应力衰减，球壳和喷嘴两个都在经向被足够长的模拟。 8节点的平面 82被用于网格模型。喷嘴顶端的轴向位移被限制，等价表面载荷 P1应用于球壳的切削末端，以模拟封闭球罐。 P1表示如下： 图 3 有限元分析模型示意图 3.2 基于 “分析设计 ”观点中准等强度标准的优化模型 准等强度标准在 “分析设计 ”观点中对于这类结构的优化设计是很有效的。 假设球壳的一次膜应力强度系数 此处，为球壳的一般一次膜应力强度。 上面的例子中的值是 0.912。 如图 4 所示，应力强度校核有七个路径确定。路径由 APDL 确定，用来寻找颈部区域内外表面最大应力强度点及它在对面表面连接到最近的节点。膜应力、弯曲应力和峰值应力通过 ANSYS 中等效线性化进程可以很容易地得到。根据球壳喷嘴的结构和载荷特性，膜应力应当被列为一次局部薄膜应力，弯曲应力作为二次应力。 图 4 应力校核路径示意图 因此，局部薄膜应力强度系数 一次和二次应力强度系数 根据 “分析设计 ”观点中准等强度的标准，应力强度系数应符合下列关系： 因此，优化模型依下列各项被建立： （ 1） 设计变量： . （ 2） 限制条件： （ 3） 目标： 锻件的经向区被取为目标，它可以呈现锻件的质量，并且能够通过 ANSYS 的 *get 命令获得。 3.3 优化方法 用 ANSYS 中的子近似方法来解决问题。它仅需要因变量的值而非它们的导数， 并可以被描述 为 一个先进的零阶方法。 最小二乘拟合曲线近似于实际目标和每个优化循环里的状态函数。 ANSYS 程序考虑到强加的限制通过增加补偿到目标函数近似值，将一个有约束的问题转换为没有约束的问题。寻求无约束目标函数的近似值的最小值是通过在每一次迭代中采用一种连续无约束最小化技术实现的。 3.4 优化结果 对于上面的例子，优化结果如下 ： 应力强度分布线如图 5 所示。相对于初步层面的结构，从消除的最低受压区准等强度标准的意义上说，优化后应力更均匀，并且在球壳锻件焊缝附近易裂纹的位置应力水平下降。优化后在规定路径的应力强度系数如表 1 所示。它显示了压力限制的满意结果。 （ a）优化前 （ b）优化后 图 5 应力强度分布线 表 1 优化后的应力强度系数 4.整体锻造加强件优化的参数研究 下面的参数是用来研究整体锻造加强件的优化的。 球壳内径为4600mm,6100mm,7100mm,9200mm,10700mm,12300mm,14200mm,15700mm,18000mm,19700mm,21200mm,22600mm,24600mm,26800mm； 喷嘴公称直径为80mm,100mm,150mm,200mm,250mm,300mm,350mm,400mm,450mm,500mm,600mm; 储存压力为 0.8MPa,2.1MPa,4.0Mpa。 取 2.1MPa 的作为例子，第一轮优化表明圆锥角 ，内部外部过渡半径跟球壳厚度的比值 ，对于不同的球壳和喷嘴尺寸它们的变化不是很大。因此，在第二轮优化中这三个尺寸被均分并保持不变以确定最主要的尺寸 锻件半径 R。均值从而确定如下： 通过第二轮优化算出量纲锻件半径 ，如图 6 所示，与喷嘴半径跟球壳半径的比值有关。 图 6 和的关系 图 6 的数据是拟合的曲线，产生下列公式 y 表示 ,x 表示 。拟合参数： 拟合参数的标准差分别为 0.0106， 0.2724， 0.0001， 0.2029，0.0008。 置信水平 95%和置信系数 1.96，取 1.96 倍的标准差作为置信限值，获得如下的上限公式： 从而确定曲线如图 7 显示，它表明的值与 的值成反比，这是符合文献 2的分析结果的。此外，设计压力越高，要求 的值越大。 图 7 量纲 曲线 5.结论 基于 “分析设计 ”的原则和尽量减少质量为目标，在一个被设定的准等强度标准推导出的压力限制下，结构优化研究被应用于大型球罐中喷嘴的单锥整体锻造加强件。其中， APDL（ ANSYS 的参数化设计语言）和 OPT（优化工具）是用于有限元模型参数和优化的建立。由参数方面，第二轮优化的重点是锻造半径和量纲半径曲线的确定，制定出来可以帮助设计者。 参考资料 1 于广艳，优化设计与整体锻造加强件的计算 .压力容器，2002， 19（ 11）： 26-28（中文） 2 高炳军，吴云龙，王洪海，等