高压容器筒体与封头连接处有限元分析及优化

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1、设计计算高压容器筒体与封头连接处有限元分析及优化121罗彩霞，梅瑛，许志珍(1．太原科技大学化学与生物工程学院，山西太原030021;2．中北大学机械工程与自动化学院，山西太原030051)摘要:为了求解高压容器筒体与封头连接处的应力，利用有限元ANSYS建立了有限元模型，通过模型的加载求解，得到该结构的应力分布图，结果显示连接处存在明显的应力集中现象。连接处的应力大小与其尺寸有一定关系，建立了优化数学模型，利用ANSYS的优化模块OPT进行了优化设计，得到了使应力集中系数最小的最优结构尺寸，按分析设计标准进行强度分析，结果表明结构满足强度要求。关

2、键词:有限元;高压容器;应力集中;优化设计中图分类号:TQ051．3;O241．82文献标识码:A文章编号:1001－4837(2011)08－0035－04doi:10．3969/j．issn．1001－4837．2011．08．007FiniteElementAnalysisandOptimizationoftheConnectingZoneatCylinderandHeadofHighPressureVessel121LUOCai－xia，MEIYing，XUZhi－zhen(1．InstituteofChemicalandBiologica

3、lTechnology，TaiyuanUniversityofScience＆Technology，Taiyuan030021，China;2．InstituteofMechanicalEngineeringandAutomation，NorthUniversityofChi-na，Taiyuan030051，China)Abstract:Forseekingthestressofthejointstructureatcylinderandheadofhighpressurevessel，thefi-niteelementmodelwasbuilt

4、up．Throughexertingloadandcomputing，thepictureofstressdistributionwasobtained．Theresultshowedthereexistedobviousstressconcentrationphenomenonhere．Thestresshasrelationshipwithitsdimensionsizeattheconjunction．TheoptimalmathematicmodelwasestablishedandOPToptimizationmodulewasusedt

5、odesign，optimalstructuresizewasgotwhichcouldmakethefactorofstressconcentrationsmallest．Strengthwasanalyzedinaccordancewithanalysisdesignstandard．Theresultshowsthestructuremeetsthedemandsofstrength．Keywords:finiteelement;highpressurevessel;stressconcentration;optimizeddesign化工、

6、炼油、轻工、能源等行业的合成塔、反应器、0引言萃取釜等关键设备，球形封头在所有封头中具有随着科技的快速发展，高压容器已普遍用于承载能力最高、在相同设计条件所需厚度最小、耗基金项目:山西省自然科学基金项目(2010011036)35CPVT高压容器筒体与封头连接处有限元分析及优化Vol28.No82011材最少的优点，因而广泛应用于直径较大的高压载荷又具有对称性，可将模型简化为轴对称问题容器。但球形封头与高压容器筒体相连接时厚度进行分析。锥形段长度L初始值定为290mm，筒相差很大，几乎是筒体的一半，通常采用锥形过渡体长度H应远大于边缘应力的衰减长度

7、段进行连接，而锥形过渡段则通过削薄筒体端部2．5槡R1t1，取1600mm。采用自由网格形式，用获得。由于结构的不连续，在连接处附近会产生四边形单元Plane82对结构进行划分，得到有限附加边缘应力，使得该过渡区成为高应力区之一。元模型。该模型共有16257个节点、464个单元。国内外学者和工程师采用优化分析技术对压力容1．2加载并求解［1－4］器结构尺寸进行分析和计算。这些文献都是对有限元模型所施加载荷和边界条件见图将压力容器作为一个整体进行优化设计，没有考2。可以看出，筒体下端各节点约束轴向位移，球虑局部结构的特殊性。而笔者针对锥形过渡段这形封

8、头对称面上各节点约束水平方向位移，内壁一特殊结构，采用ANSYS有限元分析软件快捷地施加均布压力面载荷。加载后对有限元模型