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摘要：在实验中为了获得较为精准的应力分布和参数，可以用有限元分析软件ANSYS对压力容器进行分析和设计。并可以在压力容器的设计中得到最佳的方案。
关键词：ANSYS；压力容器；应力分析；结构优化
在实际的应用需要中，压力容器的设计主要分为两大类；第一类是在在总体不连续区的结构中很大部分后产生应力。应力也可以称为容器的几何形状和材料的不连续。同时也有局部的不连续，即材料或载荷的不连续。第二类的结构有相对较小的范围内会产生影响应力。由于国内外的科研人员运用了有限元来对压力容器的压力的不连续区进行应力分析。科研人员在载荷作用下，压力容器的不连续区会产生弯矩，同时也会导致压力容器的不连续区的应力大于其它压力容器的区域。使得产生压力容器的这个区域容易失效
1 问题描述
在某容器中设计容器的压力为P=16 MPa。将容器的温度为T=165℃。同时将容器壁厚设计为 T 1 =105 mm和容器的封头内径为 R 2 =815 mm。在压力容器的封头和压力容器筒体的连接部分进行优化设计。
在压力容器的不连续区结构中对筒体和封头厚度不变的情况下进行优化。并改变压力容器的锥形段长度和斜边倾斜角的情况下，压力容器的不连续区的应力集中最小。综上所述可得优化设计的数学模型为联立力平衡方程和变形协调方程的解。在联立解中K 为应力集中系数。
2 有限元模型单元类型选择
因为压力容器的几何结构是对称的，所以在压力容器的2D实体中可以运用软件来分析2D平面压力容器的应力和轴对称的问题。因此压力容器同时受到的对称载荷作用是一样的。同时压力容器受到的应力量和位移量也是一样的。利用有限元分析软件ANSYS来建立平面的有限元模型。可以通过平面的有限元模型压力容器的纵剖面进行应力分析，这样就可以简化压力容器应力的分析过程和计算的速度。
3 建立有限元模型、定义边界条件并求解
在有限元分析软件ANSYS中建立轴对称模型。并利用有限元分析软件ANSYS自带的自顶向下的建模方式，建立压力容器剖面区域的有限元模型。在模型中可以看到压力容器受到载荷综合作用后。压力容器内部的不连续区会发生弹性变形和位移。但是由于压力容器是轴对称结构。在压力容器的底部会有中心线，但中心线并没有太大的变化。这时就可以在软件的选择压力容器的全部自由度的约束。这样可以在模拟的情况下达到真实。
4 查看分析结果
在使用有限元分析软件ANSYS中，压力容器内部的不连续区受到的压力和外部压力载荷的作用下，有限元分析软件ANSYS就会对压力容器模型做静力分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这两个受压的部分在长时间内不会改变或者是改变很小。这就需要通过有限元分析软件ANSYS 内的静力分析得到结果。通过分析后就能得到位移和应力分部的情况。在分析后的结果中可以知道压力容器壁受到的载荷作用后，压力容器就会发生变形，且变形较大。压力容器的圆环过度部分受到的载荷作用变化最大。同时压力容器的筒体位置也发生的变化。在有限元分析软件ANSYS 的模拟结果中应力分部出现较大的是压力容器的剖面筒体中部的位置。而且在压力容器的瓶颈的过渡的地方也出现了较大的应力。在有限元分析软件ANSYS 模拟中由于金属工艺的相关原理可以发现这样的结构会引起应力的集中。在压力容器受到载荷后变形的地方主要集中在压力容器的瓶颈。因此在对压力容器的设计优化中要特别注意。在进行压力容器的安全评定中也要特别注意这个地方。在进行压力容器的设计优化中要减少压力容器应力集中的出现。同时也要减少压力容器突变结构的发生。
5 沿内外壁的应力分布
压力容器的应力在有限元分析软件 ANSYS模拟分析中，最为重要的是压力容器的应力分布规律和大小。从模拟结果中不能够很仔细的得到压力容器的应力在各个关键点的应力大小数值。同时也不容易得到压力容器在各个关键点的应力变化大小。因此要对压力容器壁定义相应的路径。将压力容器壁的路径设为Path-1和Path-2。压力容器的内部为Path-1，压力容器的外部为Path-2。通过设置压力容器的路径，可以比较压力容器壁的应力分部的情况。设置压力容器壁的路径后可以看到压力容器壁的内壁出现较大的应力在压力容器的筒体以及压力容器的圆环的位置。压力容器的筒体变形和应力是最大的而压力容器的其它部分应力变化得比较稳定。这个原因的出现和压力容器壁的厚度有一定的关系。同时在压力容器的瓶颈部分应力会出现很大的变化。这是因为压力容器的结构大小出现了突变的情况。在压力容器的外壁中，应力的变化在压力容器的筒体部位显得相对的稳定。但在压力容器的结构突变中压力容器的瓶颈应力出现了变大的情况。在一些压力容器的部分地方也出现了应力集中减少的现象。在对压力容器的安全检验时要特别的对压力容器的受力最大的地方进行检查。而且也要对压力容器的结构出现突变的地方要进行准确的计算。这样才能达到提高设计优化的目的。
6 优化设计
在有限元分析软件ANSYS中有两种设计优化的方法。分别是零阶法和一阶法。在零阶法中能处理很多的有效工程问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，这也使得零阶法受到众多人的喜爱。而一阶法可以对模拟进行较大的空间设计，简化设计的空间。同时一阶法可以对目标函数进行变量的设计。为了对压力容器的不连续区进行优化设计，在使用一阶方法时要以压力容器的锥形段长度L 为优化设计变量。同时利用有限元分析软件ANSYS自带的轴对称单元 PLANE82 进行优化设计。得到相应的结果，从而达到对压力容器优化设计的目的。通过对优化设计后得到的结果与优化设计前的结果进行比较发现压力容器的变量锥形段长度 L相对于优化设计前有所增加。压力容器的状态变量斜边倾斜角 α也出现了增加的情况。但是通过优化设计后的结果发现目标函数的应力集中K出现了下降，大约下降了6.8%。而且压力容器的不连续区受到应力出现了下降，大约也是下降了2.3%。优化设计的效果相对明显。
7 结束语
在应用有限元分析软件 ANSYS 作为平台，利用软件自带的轴对称单元 PLANE82 对压力容器的不连续区进行有限元分析。就可以获得压力容器在各部的应力分布图。在对压力容器的应力优化设计中可以利用有限元分析软件 ANSYS内部的优化功能对压力容器的不连续区进行优化设计，使得优化设计后的最大应力相对于原来的有所下降。这样就可以得到最佳的参数，为优化设计提供了经验积累。同时在一定程度上满足了优化设计的需要，也为压力容器应力的分布和参数发展提供技术保障。在得到压力容器优化设计的最好方案后，可以推动压力容器在实际应用工程中的发展。
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论文作者:杨照林
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第07期
论文发表时间:2019/9/3
标签：压力容器论文; 应力论文; 优化设计论文; 有限元论文; 不连续论文; 载荷论文; 软件论文; 《科学与技术》2019年第07期论文;