根據現行材料的力學性能，采用Direct Optimization模塊對油水分離器部分設計參數進行優化設計。考慮到實際加工、生產情況采用離散型設計變量，并通過單元表提取應力線性化結果并建立相應的約束條件。經對求得最優解與殼單元提取的應力線性化結果相似性的對比，證明了單元表提取應力線性化結果并優化設計的方法可行性，進而在滿足要求的基礎上使設備達到重量最小，經濟性最佳。

礦用壓縮空氣系統生產和輸送額定壓力為1.0MPa的壓縮空氣，在正常的開拓、生產時為井下的風鎬、風鉆及其它風動工具提供動力，在發生礦井災害時為井下搶險及避災人員提供新鮮風流，是礦井中必不可少的關鍵系統之一。根據國家標準，在井口、井下管道最低部位、采區上山或廠房的入口處，均應設置油水分離器[1]，該設備使用數量較多。現行該設備設計仍多采用原煤炭部編制的通用設計圖集。

我國工業經過幾十年的發展，材料水平、設計理念均發生了翻天覆地的變化。如果僅將設計替換為現行材料，考慮到該設備的廣泛使用，無疑會產生極大的浪費。優化設計作為一門新的學科，在實際中的應用越來越廣泛，在壓力容器的設計中，有以下三種優化分析：結構尺寸優化、結構形狀優化和拓撲優化[2]，工程設計中主要是進行尺寸優化。近年來王戰輝等提出了對壓力容器承壓邊界[3]，劉豆豆等提出了對壓力容器接管采用ANSYS進行優化設計的方法[4]，馮嘉珍等提出了加權法[5]，陳定樑等提出了改進螢火蟲法等壓力容器優化算法[6]，姜紅靜等提出了專門針對具體行業要求的壓力容器優化設計[7]。

1、設備結構及數學模型

礦用油水分離器主要由筒體、封頭、支腿及接管組成，結構如圖1所示，在設備基本要求已經確定的情況下,僅能夠對筒體及封頭半徑R，筒體長度L，筒體及封頭厚度T等參數進行尺寸優化。因此選擇R、L、T作為設計變量。

圖1 原煤炭工業部通用設計中的礦用油水分離器

原設計設備采用A3鋼板及無縫鋼管，經現行材料等效替換為Q235B鋼板，接管材料為20無縫鋼管，同時根據國家標準[8]，T應不小于3mm。在設計溫度下，當材料厚度不超過16mm時，材料的許用應力、既一次總體薄膜應力強度極限SⅠ=113MPa，一次局部薄膜應力強度極限SⅡ=169.5MPa,一次彎曲應力的強度極限SⅢ=169.5?MPa[8][9]。同時根據設備功能要求，設備容積V應控制在一定范圍內。

因此，設備的優化設計的數學模型為：

2、有限元模型

有限元模型用來計算設備在自重、內壓等載荷作用下的應力。因筒體、接管外徑內徑比均小于1.2，可按薄壁處理，采用板殼單元（SHELL181）模擬筒體、封頭及接管，采用梁單元（BEAM188）模擬支腿。模型采用圓柱坐標系，對稱軸及重力均為Y方向。筒體、封頭及接管內壁均承受1.0MPa內壓，接管載荷忽略不計。計算中總單元數量16569個，節點數量16560個。有限元模型如圖2所示。

圖2 礦用油水分離器有限元模型

3、分析設計及優化設計

應力約束條件及目標函數

根據圣維南原理及圓筒受均布壓力的拉梅解答，筒體連續部分所受主應力分量如下：

根據SHELL181單元的定義，當有限元網格劃分使得單元坐標系X軸、Y軸分別對應切向應力方向、軸向應力方向時，單元輸出結果sm11（SMISC34）與sm22（SMISC35）分別對應切向、軸向的主應力的薄膜應力，sb11（SMISC37）與sb22（SMISC38）分別對應切向、軸向的主應力的彎曲應力，其中較大值即為即為第一主應力的線性化數值解，這些數值解應符合SⅠ，SⅡ，SⅢ的約束條件。提取約束條件中線性化應力APDL計算程序如下。

SABS,1

ETABLE,SM11,SMISC,34

ETABLE,SM22,SMISC,35

ETABLE,SB11,SMISC,37

ETABLE,SB22,SMISC,38

SADD,SMB11,SM11,SB11

SADD,SMB22,SM22,SB22

SMAX,SM,SM11,SM22

SMAX,SMB,SMB11,SMB22

在忽略接管及支腿質量的假設且設備構成為均質鋼制材料條件下,目標函數設備總重量最小即構成承壓邊界的單元體積之和最小。提取目標函數APDL計算程序如下。

ETABLE,VOLU,VOLU

SSUM

*GET,VOLUME,SSUM,,ITEM,VOLU

優化算法選取及變量設置

Workbench中Direct Optimization模塊中主要有篩選法（Screening）、多目標遺傳優化法（MOGA）、非線性二次規劃法（NLPQL），各算法特點如表1所示：

因設備封頭、筒體封頭、筒體均為標準化設備，按規范中尺寸選取連續變量。結合各優化算法的計算速度、精度及適用變量類型，本文采用多目標遺傳算法對設備進行優化設計。

計算結果及對比

最終得到的最優解經圓整后為R=250mm，L=640mm，T=3mm（考慮腐蝕余量后取5mm），與初始設計比較，減重達30.98%。目標函數、設計變量的迭代過程如圖3所示。

圖3 目標函數、設計變量的迭代過程

對最優解采用ANSYS進行分析，采用單元輸出的應力線性化結果與常規殼單元提取線性化結果的承壓邊界應力分布如圖4所示。對一次總體薄膜應力滿足SⅠ；對一次局部薄膜應力，均滿足PL≤SⅠ＜SⅡ；一次薄膜+彎曲應力滿足SⅢ，設備滿足強度要求。計算結果對比見表2。

圖4 承壓邊界應力線性化結果分布

4、結論

本文通過對油水分離器的的分析優化設計，并將優化后結果與常規分析設計提取結果對比，可得出以下結論：

? 基于力學知識和礦用油水分離器的結構特點，可對其進行優化設計。

? 為提高求解速度，可采用與標準規范對應的離散型變量分析。

? 在網格劃分合理的情況下，可采用單元表輸出的應力線性化計算結果。

參考文獻

[1] GB 50215-2015，煤炭工業礦井設計規范[S].

[2] 梁基照．壓力容器優化設計[M]．北京：機械工業出版社，2010.

[3] 王戰輝，馬向榮，范曉勇，等．凸形封頭壓力容器優化設計[J].輕工機械, 2019,37(2): 98-104.

[4] 劉豆豆，淡勇，裴夢琛．基于有限元的壓力容器開孔接管區的應力分析及優化設計[J].化工機械, 2018,45(2): 165-169.

[5] 馮嘉珍，張建國，邱繼偉．基于競爭博弈的多目標可靠性優化設計方法[J].北京航空航天大學學報, 2018,44(4): 887-894.

[6] 陳定樑，卓宏明，陳倩清．基于改進螢火蟲算法的壓力容器離散變量優化設計[J].機械強度, 2017,39(3): 598-602.

[7] 姜紅靜，楊永春，陳志華．核設施壓力容器優化設計[J]. 產業與科技論壇, 2016,15(7): 57-58.

[8] GB 150-2011，壓力容器[S].

[9] JB 4732-1995，鋼制壓力容器——分析設計標準[S].

[10] 江楠．壓力容器分析設計方法[M]．北京：化學工業出版社，2013

文章來源于上海安世亞太 ，作者一直很安靜