摘要：压力容器设备广泛应用于各种行业，如机械、化学、石化等。在传统的设计方法中，设计者总是利用设备壁厚的增加来确保其安全性，设计标准也使用“弹性”原理和薄膜理论来使用第一理论力和经验计算公式来设计加压容器设备。
关键词：压力容器；设备壁厚；设计分析
引言
压力容器设备壁厚的优化必须得到保证，并可作为优化设计的主要目标。在这个过程中，可以应用第一强度理论和经验计算公式来获得更有效的应用。在保证强度和刚度的前提下，确保材料的使用大大减少，并符合轻质标准。
1设备壁厚优化设计理论
优化设计的基本原理是通过建立优化设计模型，利用各种优化计算方法来满足设计要求的约束条件下进行迭代运算，从而求得目标函数的极值，得到最优设计结果。优化设计的数学模型可进行如下表示[1]：
ìíîïïïïminF（）X=F
（X1，X2，…，Xn）gi（X）=gi
（X1，X2，…，Xn）≥0hj（）X=hj（）X1，X2，…，
Xn=0X=（）X1，X2，…
在xnt（1）公式中：f（x）是目标函数，gi（x）是约束函数，x是由优化设计变量组成的集合的矢量。优化设计是求解满足应力特征的目标特征的极值。这种传统的计算方法适用于简单的小型结构，但对于大型和大型元素模型的复杂结构，很难或不可能获得目标函数和状态变量的数学表达式。要将优化设计与有限元方法结合起来，必须在目标函数和状态变量之间提供明确的表达式，可通过调整以下内容来实现：
H=a0+∑i=1naiXi+∑i=1naiXi2+∑i=1n-1∑j=1ncijXiXj
（2）式中：Xi（i=1，2，…，n）为设计变量。在进行拟合时需要定义和产生M组设计变量，利用有限元法求解各组相应的目标函数，由各个组合加权最小二乘误差为：E=∑M=1ME
2M=∑M=1MWM（hM-HM）
2=S（a0，a1，…，cn-1，n）
（3）式中：M为设计变量组数，hM为有限元法算出的第M组设计变量对应的H值，HM为近似法求得相应H值，W为权重。由最小二乘原理，求E的极小值，得到正则方程组：∂S∂ai=0∂S∂bi=0∂S∂cij=0（4）求解式（4）中方程组可得ai、bi、cij，通过拟合得到目标函数，然后利用优化方法，不断迭代得到目标函数的极值。ANSYS有限元分析软件提供了零阶和一阶两种迭代优化方法，零阶适合解决大多数工程分析，一阶适用于进行精确优化分析[2]。压力容器设备参数如表1所示，在满足设备给定的强度和刚度要求下，通过ANSYS有限元优化设计，使得壁厚最小，设备重量最轻，从而实现轻量化设计。
2建立有限元优化分析设计模型的研究
2.1确定条件
在应用有限元优化设计方法的过程中，就需要确定出压力容器设备使用条件，以及预期的优化目标。一般来说都需要应用轴对称的结构，这实际上对应用有限元分析方法是有利的，因为进行有限元分析往往都需要对整个模型进行数据建模的工作量比较大，一个细节性数据出现的问题，就有可能影响到整体的优化设计效果。在应用轴对称结构的前提下，需要建立起一半的模型，就可以对整个模型进行优化分析。
2.2优化设计过程
优化设计时，必须首先确定网格方法，然后可以对模型进行网格处理以获得适当的坐标数据。现在，您将应用载荷和约束。目前，计算机的成品元件软件可以提供几种优化方法，对于压力容器壁厚的优化过程，只需使用预先优化的方法就可以获得很强的优化效果。最后，由完成的元素分析软件记录结果。相关数据记录表明，根据某些定义的约束条件和与透镜的恒定接近度，最终元件分析软件提供的优化方法实际上是数据的连续迭代。目标的最终实现可以结束优化过程。它主要是关于减少压力容器设备的壁厚和减轻总重量，见图一。
图1 设备设计网格模型设计图实例分析
一旦目标函数达到了条件，或者是迭代次数达到了设定的次数就可以终止优化过程。考虑到数据迭代的情况，一般来说将迭代次数设置为几十次即可，基本都能够得到比较满意的优化设计方案。然后再通过相应的制图软件，将得到的优化设计方案中的数据进行体现，就可以更加直观的得到压力容器设备壁厚优化的效果，十分直观，并且工作量得到了大大的缩减，精确性得到了有到的确保。
2.3设计结论
采用ANSYS有限元优化设计软件对压力容器设备重量随壁厚的变化进行迭代运算，在满足约束条件的情况下得到最优设计序列，筒体封头的壁厚最薄，设备重量最轻，实现了轻量化、优化设计。通过ANSYS优化设计改变了传统试算校核、不通过重新代数据试算校核的被动校核方法，主动在约束条件和设计变量可行域范围内寻找最优设计，减少了设计成本，节约了设计时间，实现设备轻量化及优化设计。
3压力容器设备壁厚优化的思考
最终的单元分析方法对于优化压力容器设备的壁厚无疑是可行的，上述研究也可能表明使用这种方法是相对可行的。在压力容器设备体积相对较小的某些情况下，不使用成品元素分析方法。然而，在现代工业中，优化常用压力容器的壁厚通常涉及大型产品或设备。这是因为对于一些小型化的产品，优化设备的壁厚不会显著降低使用成本或使用空间。优化大型设备或产品的壁厚使得批量生产时更容易降低成本，并减小加压容器设备的尺寸，从而提高了优势。并促进更广泛的市场销售。建模是应用成品元素分析方法的最复杂的过程之一。
要严格确保建模过程中所得到的各项数据的准确性，一旦一些数据出现的问题，后期所有的优化工作都是徒劳。在进行优化设计的过程中，应当做好校核工作，在多种条件下来实现数据测算，在可行域范围内实现对不同优化方案的综合评价。如果在没有特殊要求的情况下，一般都是需要降低整体的设计成本以及生产制造成本，并且降低生产制造过程的难度。在算法的过程中，可以将传统优化设计过程中一些专家的经验进行融合，极大地提高了最终优化设计方案的可行性以及可靠性。
但是从目前这方面的研究看来，关于压力容器设备壁厚优化的过程中，不可避免地会使用到计算机设备，实现对大量数据的在线整合以及处理。只有严格确保压力容器设备的各项数据的真实性，才有利于开展接下来的优化工作。并且可以根据不同的设计优化需求来确定相应的约束条件，适用范围比较广。
结语
综上所述，开展压力容器设备壁厚优化是比较复杂的，可以应用多种方法来开展这项工作。在此过程中，应用有限元分析方法具有较强应用优势，相关使用经验也比较丰富。除此之外，还可以应用一些智能优化算法，优化设计的难度得到了降低，并且适用范围比较广。还是应当结合实际优化设计的需求以及相应的使用需求来确定目标函数以及约束条件。
参考文献：
［1］全国锅炉压力容器标准化委员会.JB4732-2002钢制压力容器分析设计［S］.北京：中国标准出版社，2002：28-43.
［2］朱中文，张自斌，孔田增.基于ANSYSWorkbench的容器结构尺寸优化设计［J］.甘肃科技，2015，31（4）：65-67.
［3］张彩丽.压力容器的有限元分析及优化设计［J］.陕西科技大学学报，2012，30（6）：93-97.
论文作者:宰云永
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/20
标签：设备论文; 优化设计论文; 压力容器论文; 方法论文; 目标论文; 有限元论文; 数据论文; 《基层建设》2019年第24期论文;