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1、基于ANSYS的压力容器壁厚课程设计摘要运用强大的CAE软件-ANSYSA对压力容器的壁厚进行优化设计，提高了产品的设计刚度，满足工程中的技术指标并实现了结构轻量化的目标。结果表明，ANSYSA软件将有限元法与优化技术有机的结合起来，方便了设计人员进行分析设计。关键词：压力容器；ANSYS；优化设计。引言在传统压力容器设计中，为保证容器安全性，设计尽量增大壁厚，以增大容器承压能力。随着分析设计概念的提出，设计者更多的对压力容器的结构进行优化设计，通过这一过程可以提高产品的设计刚度，满足技术指标及结构轻量化的目标。ANSYA软件通过将有限元法和优化技术有机的结合起来，方便了设计人员进行分析设计。
2、在优化中，有限元元方法是重要方法之一。20世纪60年代以来，随着计算机技术的发展，有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛的应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学和热传导等领域。开始优化设计1、ANSYS优化设计优化设计的对象很广泛，比如尺寸（如厚度）、形状（过渡圆角的大小）、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作为优化设计。ANSYS程序提供了两种常用的优化设计方法，即零阶方法和一阶方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，能有效的处理大多数的工程问题，一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程
3、度，因此更加适合精度的优化分析。对于上述两种方法，ANSYS软件提供了一系列的分析-评估-修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果进行设计评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计都满足要求为止。2、压力容器壁优化设计 我的设计分析使用ANSYS软件提供的一阶优化方法对实际工程中的压力容器壁厚进行优化设计。一、问题描述 反应器结构图现有一个处于设计状态的反应器示意图，反应器主体外直径d=406mm,总长6000mm,桶体壁厚均匀，无尖角，但端部部位壁厚在过渡位置处有所增加，整个截面尺寸如图1所示。整个反应器采用同一种材料制作，其参数如下： 设计压力：p=23MPa(工作
4、压力为21MPa),弹性模量：E=206GPa,泊松比：=0.13优化设计要求：通过对壁厚的设计，使得最终在满足给定的刚度和强度要求下整个反应器的重量达到最小。壁厚参考范围t116,19,端部部位厚度t221，25。规定=250MPa。二、优化设计的数学模型 根据压力容器的结构特点和受力特点，采用轴对称结构，在容器内施加垂直于面壁的均匀压力p=23MPa，在封头端部，根据材料力学理论，其水平拉应力为17.1681MPa,方向为y轴正方向，如图2。根据截面结构显示，选定容器的壁厚t1、t2作为设计变量，为优化设计中结构的等效应力强度，需要作为一个约束条件。综上所述可得反应器结构优化设计的数学模型
5、为：16t119，21t225， Wt=minf(X)， 图2 受力图 其中f(X)表示压力容器的重量，表示最小值是对结构采用有限元分析后选择的一组数据。由于在分析中，设计者关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小，故在校核时只要分析沿壁厚某个截面的=250MPa。三、创建有限元模型 有限元模型为计算提供所有原始数据。模型的形式直接影响计算精度、计算时间、所需内存大小及计算过程能否完成。因此，建立模型是进行分析有限元的关键，它所需要的工作量大，要求考虑的因素多，因而对分析人员的专业知识、有限元知识以及分析软件的使用技能等都提出了很高的要求。对压力容器将空间问题平面化，选用PLANE42单元进行分析。
6、建模采用直接法，通过连接各个节点生成PLANE42单元。考虑到问题的对称性，建模采用了对称简化，有限元模型如图3所示。并把各个模型的尺寸设置成参数的形式，以便于修改，单元类型选为PLANE82，并设置为轴对称属性。其反应器优化前结构参数如图4。 图3 有限元模型 图4 优化前结构参数 4、 优化设计模型及建立分析结果按照使用要求对压力容器建立优化设计模型，包括载荷的加载和约束的添加。ANSYS程序在优化过程中共循环了12次，得到的最终的优化结果，每一次计算的优化结果如表一所示，其中*表示最佳结果。从中可以看出，当循环到第八次时，目标函数收敛。根据目标函数最优及压力容器质量最小的原则，最终优化结
7、果应选择表中第八次的计算结果，及t1=16.819，t2=21.000，wt=0.14737E+09，此时目标函数下降了7%，优化效果明显。表1 优化参数迭代结果 SET 1 SET 2 SET 3 SET 4 (FEASIBLE) (FEASIBLE) (FEASIBLE) (FEASIBLE) SMAX (SV) 237.46 239.18 239.24 247.39 T1 (DV) 18.000 17.852 17.846 17.174 T2 (DV) 23.000 22.960 21.000 21.000 WT (OBJ) 0.15853E+09 0.15720E+09 0.15647
8、E+09 0.15051E+09 SET 5 SET 6 SET 7 *SET 8* (FEASIBLE) (INFEASIBLE) (INFEASIBLE) (FEASIBLE) SMAX (SV) 247.41 256.03 256.09 251.97 T1 (DV) 17.173 16.516 16.512 16.819 T2 (DV) 21.000 21.000 21.000 21.000 WT (OBJ) 0.15050E+09 0.14471E+09 0.14467E+09 0.14737E+09 SET 9 SET 10 SET 11 SET 12 (FEASIBLE) (INF
9、EASIBLE) (INFEASIBLE) (INFEASIBLE) SMAX (SV) 251.92 258.99 259.00 254.87 T1 (DV) 16.823 16.302 16.301 16.602 T2 (DV) 21.000 21.000 21.000 21.000 WT (OBJ) 0.14741E+09 0.14282E+09 0.14281E+09 0.14546E+09设计变量t1、t2、和状态变量Smax及目标函数WT随迭代次数变化规律分别如图5、6、7所示。图5 设计变量t1、t2随迭代次数变化规律图6 状态变量Smax随迭代次数变化规律 图7 目标函数WT随迭代次数变化规律五、结论从表一可以看出，序列8为最佳设计序列，其中SMAX应力为251970MPa,目标函数WT下降了大约7%，优化效果明显。各状态变量及目标函数随迭代次数的增加向最佳设计中的方案逼近，通过图5可以看出逼近效果良好，由此说明了有限元软件ANSYS=在优化设计中的应用价值，摒弃了传统结构设计的被动校核方案，进而主动的在可行域内寻求最佳设计方案，很大程度上减少了设计成本和设计周期，使产品设计更为合理。参考文献：1李景辰，冯铗中，沈行道，压力容器壁基础知识M.北京：劳动人事出版社，1986.2柯常忠，索海波，ANSYS优化技术在结构设计中的应用M.煤矿机械，2005.
