基于ANSYS的压力容器的应力分析与结构优化
摘 要：本文利用ANSYS有限元分析软件对缓冲压力容器进行了应力分析和壁厚优化。在满足应力强度的条件下，得到了合理的方案。容器质量降低17.5%，球形封头壁厚降低16.7%，由此可见优化效果明显。
关键词：压力容器；应力分析；优化设计；壁厚；ANSYS；缓冲器
压力容器是一种广泛应用于石油化工、机械、轻工、食品等行业的压力容器设备。传统的压力容器设计采用规则设计，即按照标准GB150《钢制压力容器》。为了确保安全的容器，设计师总是试图增加壁厚提高压力容器的承载能力，结构强度的结果是相对保守的，这限制了容器的整體性能的提高和材料的有效使用。随着分析设计理念的发展，越来越多的设计人员优化了压力容器的结构。本文利用ANSYS有限元分析软件对容器各部分进行了详细的应力计算和分析，以容器的最小质量为目标，不降低设备的安全性。通过优化设计方法，给出了压力容器参数的最优组合，以减小结构的厚度，有效地提高材料使用效率。
1 压力容器参数及应力云图
1.1 工作条件和结构参数
有一缓冲器，整个缓冲器封头材料为16MnR，接管材料为16Mn，其参数见表1。设计压力p=32MPa，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3。壁厚参考范围t1=30～39mm，t2=15～24mm，许用应力[σ]=250MPa。
1.2 参数化建模
根据结构特点和荷载特性，采用轴对称力学模型进行分析，从关键点生成曲面，建立二维模型。该结构采用PLANE82进行网格划分，这是ANSYS软件提供的8个节点的轴对称单元。
1.3 施加载荷及应力分布
有限元分析的目的是了解模型对外界荷载的响应。使用有限元分析工具的关键步骤是正确识别和定义负载，有效地实现仿真负荷。在这种情况下，压力容器内表面的压力为32MPa，对球形头末端的对称面施加对称约束。管道末端的轴向拉伸应力为：
得到了应力结果。从应力云图可以看出，最大应力强度出现在封头与管道之间的接头内部。最大应力值为228.886MPa。接管外侧与封头内侧连接的不连续几何部分也出现很大的应力值。
2 优化设计
2.1 参数的优化
优化问题的基本原理是建立优化模型，采用各种优化方法，在满足设计要求的条件下进行迭代计算，得到目标函数的极值，得到最优设计方案。ANSYS程序提供了两种能够处理大多数优化问题的优化方法。零阶法是解决大多数工程问题的一种很好的方法。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感性，更适合进行精确的优化分析。数学模型由目标函数和约束条件组成。选取容器壁厚t1、t2作为设计变量，以最优设计中结构的等效应力强度为约束条件，以压力容器的WT为目标函数。综上所述，压力容器结构优化设计的数学模型如下：
优化设计后最大迭代次数为20次。
2.2 优化后的容器各参数
优化前后容器的主要参数如表1所示。从优化前后各参数的变化可以看出，球形封头t1厚度由36mm减小到30mm，减小约16.7%，管壁t2厚度由22mm减小到21.768mm，目标函数WT由132.58g减小到109.37g，质量减少了约17.5%，优化效果显著。
3 结论
①本文使用ANSYS软件结构在满足安全的前提下，进行压力容器质量最小的优化设计，封头壁t1由厚变薄大约是16.7%，目标函数WT减少约17.5%，获得缓冲器封头和管壁的厚薄的合理尺寸，不仅节省了大量的工程材料，又降低了生产成本；
②从数据可以看出，每一个状态变量和目标函数随迭代次数的增加向最佳设计方案靠近，效果良好，这也证明了有限元分析技术的应用价值。抛弃传统的结构设计被动检查方法，在可行的领域积极寻找最佳的设计方案，可以大大降低设计成本，缩短设计周期，使产品设计更加合理，取得更大经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]王庆五，左昉，胡仁喜.ANSYS10.0机械设计高级应用实例[M].北京：机械工业出版社，2006.