基于Hyperworks的壓力容器輕量化設計

1.設計背景

 

壓力容器在機械、石油化工、食品、輕工等多種工業領域得到了廣泛地應用。考慮到容器的安全性問題，設計者總是通過增大壓力容器壁厚，以增強容器的承壓能力，設計的容器既笨重又浪費材料，制造的成本明顯較高。因此，設計出既滿足性能要求又節約材料的壓力容器就成為設計者們追求的目標。

本文采用 Hypermesh有限元分析軟件建立了壓力容器的三維模型，對容器各部位進行詳細的應力計算與分析。將容器的質量作為優化目標，結構的等效應力作為約束條件，通過Optistruct對容器的壁厚進行了優化，降低了結構的厚度，使得材料得到了有效地利用。

 

2 壓力容器結構參數

 

圖1為壓力容器，其球形封頭與接管連接區的結構如圖1所示，相關參數見表1所示。容器的封頭材料為16MnR，接管材料選用16Mn。

 

圖1 壓力容器結構

 

表1   壓力容器結構參數

參數	數值	參數	數值
	248.5		24
	39
	31

 

3 壓力容器簡化模型的建立

 

壓力容器的設計壓力=32Mpa，彈性模量，泊松比。壁厚的取值范圍，，許用應力為。

為了提高后續有限元優化設計計算的效率，根據結構特性和載荷特性，取壓力容器的四分之一進行有限元優化設計，在Hypermesh中建立結構模型，對模型進行網格劃分如圖2所示。

 

圖2 模型的有限元網格

 

4 Hypermesh求解計算及結果分析

 

該模型為對稱結構，可以對模型的四分之一施加對稱邊界條件。其內表面承受的壓力為設計壓力，容器接管端部所受軸向拉應力為：

求解得應力結果如圖3所示。由應力云圖可知，最大應力出現在封頭與接管連接處，最大應力值為222.5MPa，小于許用應力250Mpa。所以壓力容器壁的強度存在較大富裕，具有輕量化的優化空間。

 

圖3 優化前模型的應力云圖

5 壓力容器壁厚的優化

根據壓力容器壁厚的應力分析，為了節省材料，降低生產成本，需要對壓力容器的壁厚尺寸做進一步的改進。根據圖1所顯示的結構，將容器的壁厚、作為設計變量，為優化設計中結構的等效應力強度，并作為約束條件，壓力容器質量WT為目標函數。由以上分析可得壓力容器結構優化設計的數學模型為:

優化的結果應力分布如圖4所示，由圖4可知壓力容器壁最大應力為249.7MPa, 小于許用應力250Mpa，符合工況要求。

 

圖4 優化后模型的應力云圖

 

表2 優化前后主要參數

參數			SMAX/MPa	WT/kg
優化前	39	24	222.5	72
優化后	34.71	15	249.7	63
減小率	11%	37.5%		12.5%

由表2可知在滿足應力強度和安全性的條件下，封頭壁厚減小了11%，接管壁厚減小了37.5%，容器質量減小了12.5%，優化效果明顯，大大節約了工程材料。

 

6 總結

 

（1）本文采用Optistruct對壓力容器結構在滿足強度的前提下進行地輕量化設計，封頭壁厚減薄了11%，接管壁厚減薄了37.5%，目標函數WT在較少了約12.5%，得到了緩沖器封頭和接管壁厚最合理的尺寸，節省了工程材料，同時降低了制造成本，也進一步印證了有限元分析技術在優化設計中的應用價值。摒棄傳統結構設計的被動校核方法，主動地在可行域內尋找最佳設計方案，就可以在很大程度上減少設計的成本、縮短了設計周期，使產品的設計得更加合理。