ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用

ANSYS在压力容器应力分析优化设计中的应用刘金纯抚顺石油化工设计院 113006摘要压力容器应力分析设计法正在我国石油、化工等行业得到迅速地普及和发展。

应用ANSYS软件提供的参数化设计语言和优化设计等高级分析技术，我们可以采用一种新的“结构优化法”进行压力容器的应力分析设计。

该方法具有设计计算周期短、工作量小等优点，具有应用推广价值。

关键词ANSYS 压力容器 应力分析 优化设计1 前言随着我国压力容器设计观点、设计方法和设计标准的不断更新，以及电子计算机技术的快速发展，应用有限元分析程序对压力容器进行分析设计这一先进的设计方法正在石油、化工、核工业等行业的设备设计工作中，得到迅速的推广。

在众多可用的通用和专用有限元软件中，ANSYS做为最通用有效的有限元软件之一，也在压力容器的应力分析设计中得到了广泛应用。

应用有限元分析程序进行压力容器应力分析的标准过程都是根据设计条件，用解析计算方法或根据经验值确定容器的初始结构尺寸，按照该结构尺寸用有限元程序建模、求解，再对得出的应力分析结果进行强度评定。

如果强度评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改，然后再次建模、求解，进行强度评定，如此反复，直至强度评定合格为止。

用这种方式进行压力容器的应力分析设计存在以下一些不足：1.设计人员工作量大，设计计算的时间周期长；特别是模型较复杂或修改较多时，更是如此；2.对设计人员的工作经验要求比较高，同一台容器，不同的人员设计，往往会得到差异较大的不同结果；3.对容器各部分，尤其是形状比较复杂部位结构尺寸的确定往往偏于保守，造成材料浪费。

现在，利用ANSYS程序提供的参数化设计语言（ADPL）和优化设计等高级分析技术，我们可以采用一种“结构优化法”进行压力容器的分析设计和结构优化。

所谓的“结构优化法”，就是以应力强度S I、SⅡ、SⅢ、SⅣ满足设计标准要求的应力强度控制值作为约束条件，通过ANSYS的优化设计功能，求得使容器重量最小的容器结构尺寸。

它与一般方法的主要区别是将以往由人工确定初始结构尺寸变为由软件通过计算自动确定，并且软件给出的这些结构尺寸是满足应力强度控制条件的优化值。

2 “结构优化法”的基本过程“结构优化法”的基本过程如图一所示。

在这一过程中，为简化计算和便于各应力强度的控制，将容器结构参数的优化分为“优化容器基本结构参数”和“优化容器局部结构参数”两个步骤来进行。

容器基本结构是组成容器壳体结构的筒体、封头、接管、管板等基本板壳部件（简称元件）。

容器基本结构参数指的是在不考虑应力集中和边缘效应的情况下，元件的结构尺寸。

“优化容器基本结构参数”是以参数化建模的方式分别分析计算各个元件在设计外载作用下，不受其它元件约束，可以自由变形时的应力分布。

然后，选取可能出现最大一次整体薄膜应力（P m），最大一次薄膜加一次弯曲应力（P m+P b）的全部截面进行应力线性化，再提取各应力强度作为状态变量（SV S），体积、重量等作为目标函数（OBJ），以元件结构参数作为设计变量（DV S）进行优化设计。

这样，在确定使各个元件重量最小的基本结构尺寸的同时，满足分析标准对一次总体薄膜应力强度S I≤KS m，一次薄膜加一次弯曲（P m+P b）应力强度SⅢ≤1.5KS m的要求。

容器局部结构是将组成容器的元件联接起来的各个局部联接结构和局部补强结构。

如封头与筒体联接结构、开孔补强、封头与裙座连接结构等。

容器局部结构参数指的是在考虑应力集中和边缘效应的情况下，壳体过渡段高度，开孔补强过渡圆角半径等容器局部结构的结构尺寸。

“优化容器局部结构参数”是以参数化建模的方式分别分析计算各个容器局部结构在设计条件下的应力分布。

选取可能出现最大一次局部薄膜应力（P L），最大一次薄膜加一次弯曲应力（P L+P b），最大一次加二次应力（P L+P b+Q）的全部截面进行应力线性化，再提取各应力强度作为状态变量（SV S），体积、重量等作为目标函数（OBJ），以容器局部结构参数作为设计变量（DV S）进行优化设计。

这样，在确定使容器局部结构重量最小的结构尺寸的同时，满足分析标准对一次局部薄膜应力强度SⅡ≤1.5KS m，一次薄膜加一次弯曲（P L+P b）应力强度SⅢ≤1.5KS m，一次加二次应力强度SⅣ≤3KS m的要求。

3 “结构优化法”的应用实例下面，以某热壁加氢反应器为例说明“结构优化法”的具体实施方法。

该反应器的设计条件及材料物理性能如下：设计压力：P = 11.03 Mpa 内壁操作温度：Ti= 450 ℃外壁操作温度：To= 400 ℃筒 体 内 径：Di=3614 mm 封 头 半 径：Ri=1834 mm 载 荷 系 数：K = 1 设计应力强度：Sm=165 Mpa弹性模量：E=1.74E5 Mpa泊松比：μ=0.3线膨胀系数：α=11.4E-6 mm/mm℃热导率：λ=30 W/（m•K）在完成容器的“结构分析”，确定容器的基本结构形式和局部结构形式之后，进行容器基本参数的优化。

先将反应器壳体分解为相互独立的若干元件，对各元件分别进行优化。

以筒体为例：将筒体视为无限长圆筒，如图所示进行参数化建模，选取8节点PLANE77（PLANE82）单元进行映射网格划分，用间接耦合法分析其在内压和热应力作用下的应力分布，参数化提取最大应力强度。

然后以壁厚B为设计变量（DV S），筒体内的最大薄膜应力强度SINT_M≤KS m、最大薄膜加弯曲应力强度SINT_S≤1.5KS m作为状态变量（SV S），模型截面积AREA=BxL作为目标函数（OBJ），采用零阶方法进行优化。

分析文件清单如下：B=20 ! DEFINE PARAMETERDI=1807L=50P=11.05SM=165EXX=1.74E5KXX=30TI=450TO=400ALPX=11.4E-6/PREP7 ! THERMAL SOLUTION ***ANTYPE,STATIC ! STATIC ANALYSIS/TITLE, OPTIMIZATION ,BARRELET,1,PLANE77,,,1 ! AXISYMMETRIC KEYOPT(S) OPTIONMP,KXX,1,KXX ! MATERIAL PROPERTIESK,1,DI ! DEFINE KEYPOINTS, LINES, AND AREASK,2,DI+BK,3,DI,LK,4,DI+B,LL,1,2LESIZE,1,,,30L,1,3LESIZE,2,,,10A,3,1,2,4SMRT,OFFMSHK,1 ! MAPPED AREA MESHMSHA,0,2D ! USING QUADSAMESH,1FINISH/SOLUNSEL,S,LOC,X,DI ! APPLY TEMPERATURES TO INNER AND OUTER SURFACES D,ALL,TEMP,TINSEL,S,LOC,X,DI+BD,ALL,TEMP,TONSEL,ALLSOLVEFINISH/PREP7 ! STRESS SOLUTION, STATIC ANALYSIS *** ETCHG,TTS ! CHANGE ELEMENT TYPE PLANE77 TO PLANE82 KEYOPT,1,3,1 ! AXISYMM, PRINT STRESSES ON NONZERO PRESS. FACES KEYOPT,1,6,4MP,EX,1,EXX ! DEFINE STRUCTURAL PROPERTIESMP,NUXY,1,0.3MP,ALPX,1,ALPXNSEL,S,LOC,Y,0 ! SET UP LONG CYLINDER EFFECTD,ALL,UYNSEL,S,LOC,Y,LCP,1,UY,ALL ! COUPLE AXIAL DISPLACEMENTS AT UNCONSTRAINED Y EDGE NSEL,ALLFINISH/SOLUNSEL,S,LOC,X,DISF,,PRES,P ! APPLY INTERNAL PRESSURE ON CYLINDERNSEL,S,LOC,X,DI+BSF,,PRES,1E-10 ! APPLY DUMMY PRESSURE FOR SURFACE PRINTOUTNSEL,ALLLDREAD,TEMP,,,,,,rth ! READ IN BODY FORCE TEMPERATURESSOLVEFINISH/POST1AREA=50*BLFT_NODE = NODE (DI,0,0)RT_NODE = NODE (DI+B,0,0)PATH,STRESS,2,,48 ! DEFINE PATH WITH NAME = "STRESS"PPATH,1,LFT_NODE ! DEFINE PATH POINTS BY NODEPPATH,2,RT_NODEPRSECT,-1 ! PRINT LINEARIZED STRESSESGETSINT ! CALL GETSINT.MAC TO CACULATE STRESS INTENSITY SINT_M=SI_MSINT_S=SI_SFINISH注：GETSINT.MAC是一个提取沿指定路径进行应力线形化后，该路径上最大薄膜应力强度SI_M和最大薄膜加弯曲应力强度SI_S的宏,其清单如下：! THIS MACRO IS USED TO CACULATE MEMBRANE AND MEMBRANE PLUS BENDING STRESSINTENSITY ALONG DEFINED PATH*GET,SX,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SX*GET,SY,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SY*GET,SZ,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SZ*GET,SXY,SECTION,MEMBRANE,INSIDE,SXY*IF,SXY,EQ,0,THENS1=SXS2=SYS3=SZ*ELSES1=SZS2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2)S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2)*ENDIFSI_M=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)SI_M=SI_M>ABS(S3-S1)*GET,SX,SECTION,SUM,INSIDE,SX*GET,SY,SECTION,SUM,INSIDE,SY*GET,SZ,SECTION,SUM,INSIDE,SZ*GET,SXY,SECTION,SUM,INSIDE,SXY*IF,SXY,EQ,0,THENS1=SXS2=SYS3=SZ*ELSES1=SZS2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIFSI_S_I=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)SI_S_I=SI_S_I>ABS(S3-S1)*GET,SX,SECTION,SUM,CENTER,SX*GET,SY,SECTION,SUM,CENTER,SY*GET,SZ,SECTION,SUM,CENTER,SZ*GET,SXY,SECTION,SUM,CENTER,SXY*IF,SXY,EQ,0,THENS1=SXS2=SYS3=SZ*ELSES1=SZS2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIFSI_S_C=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)SI_S_C=SI_S_C>ABS(S3-S1)*GET,SX,SECTION,SUM,OUTSIDE,SX*GET,SY,SECTION,SUM,OUTSIDE,SY*GET,SZ,SECTION,SUM,OUTSIDE,SZ*GET,SXY,SECTION,SUM,OUTSIDE,SXY*IF,SXY,EQ,0,THENS1=SXS2=SYS3=SZ*ELSES1=SZS2=(SX+SY)/2+SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) S3=(SX+SY)/2-SQRT(((SX-SY)/2)**2+SXY**2) *ENDIFSI_S_O=ABS(S1-S2)>ABS(S2-S3)SI_S=SI_S>SI_S_O用类似的方法，可以对球形封头、接管等其它元件的结构尺寸进行优化。