基于ANSYS的氨合成塔球形封头的优化设计.pdf

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1、第37卷第6期化工机械723基于ANSYS的氨合成塔球形封头的优化设计刘伯玉+丁传安(扬州工业职业技术学院)摘要运用有限元分析软件ANSYS，结合机械优化设计方法，对氨合成塔球形封头进行有限元分析。提供有效的有限元模型和合理又经济的设计方案，应用随机搜索的方法选取最优的结构尺寸，克服了传统设计方法带来的材料浪费。关键词压力容器球形封头应力分析优化中图分类号TQ053．5文献标识码A文章编号0254-6094(2010)06-0723-03传统的压力容器设计，因设计计算方法的局限性，设计思想偏于保守，材料浪费大，随着化工设备越来越趋于大型化，这种浪费

2、更趋明显。有限元分析设计通过对应力的合理分析与分类，可以克服传统设计方法的不足，使得设计更加合理科学。ANSYS是一个集结构、热、电磁、流体分析能力于一身的CAE软件，可进行多场耦合分析；优化方法是运用一阶方法使单个函数(目标函数)在控制条件下达到最小值的传统方法；优化工具是采用随机搜索法为优化分析提供合理解。另外，运用“分析设计”的方法对容器的部件进行定量分析，在保证安全裕度的前提下，选择合理结构尺寸的环保设计理念正在被广泛采用。为此，笔者运用有限元分析软件ANSYS，结合机械优化设计方法，对氨合成塔球形封头进行最优的结构设计。1球形封头及参数图

3、1为氨合成塔球形封头，封头上开有两孔。该球形封头的相关参数如下：设计压力31．4MPa设计温度200℃容器内径1010mm容器壁厚80mm封头材料Q345R(GB713-2008)⋯弹性模量195GPa图1氨合成塔球形封头2有限元计算考虑到球形封头简化后的模型结构和载荷上的对称性特点，建模时采用1／4模型，采用实体单元进行有限元建模。由于结构和载荷的对称性，因此由力学理论可以得到在分解面处的约束为法向位移为零，在模型上的3个面添加位移约束，在内表面加载压力。单元类型为solidi85，节点数为50061，单元数为46400。图2为计算后获得的周向应

4、力云图，经计算分析，提取内筒上第5891号节点的最大周向应力盯。=101MPa。·刘伯玉，男，1966年3月生，工程师。江苏省扬州市。225127。图2厚壁球形受压元件周向应力云图724化工机械2010焦3球形封头的优化设计由上面的计算结果知，球形封头的最大周向应力矿。。。=101MPa<[or]‘=141MPa，因此壁厚的优化空间仍较大，考虑到焊接和不连续应力的影响，优化时通过改变外径来达到减小壁厚的目的。对筒体做简化处理，考虑到结构的对称性，建立八分之一模型，采用实体单元建模，单元类型为Solidi85。设计变量为壁厚r、状态变量为最大周向应力

5、or细。，和优化目标为封头总体积‰，，通过改变封头壁厚并控制最大周向应力or帅。，使之不超过许用应力[or]‘=141MPa，内半径最小为505mm，并使总体积最小，即得到壁厚r的最优值。即满足：f晌(_。t){0

6、裕度并结合钢板厚度系列¨1，取壁厚为T=75ram，较优化前壁厚80ram降低1／16，封头重量大大降低。图3为搜索次数n和外半径R。的关系图。E昌、≈趔井云图3球封头搜索次数n和外半径R。的关系图4为外半径露。和最大周向应力仃帅。的关系图。＼。、＼、54513鼬lo56L憾560．05577∞鼢加外半径R．／nun图4球封头尺，和盯钿。，的关系从图4可以看到，随着球封头的外半径增大，球封头的最大周向应力值不断降低，根据此图可以得到许用应力下，球封头可以选取的最小外半径。由上面计算可知，只要球封头下部开孔处采取适当的补强，球封头的壁厚取75mm，不

7、仅节省了材料，而且随着球封头壁厚的减小，球封头制造难度也降低了。4结构优化的安全性分析该封头的壁厚由80mm减小到75mm，由上述计算可知球封头的整体强度是安全的。球封头与筒体的边缘应力，随着球封头的壁厚的减少而有所增加，经计算具体数值为225．2MPa，亦远小于安定状态的许用应力值570MPa[2J，故球封头与筒体的边缘是安全的。球封头上开有两个孔，直径分别是100／l'lnl和255mm，由于两孔中心间距约为392mm大于两孔直径之和355mm，故两孔相互应力叠加的影响可以不计口1，两孔可以分开进行开孔补强设计。直径为100mm的球封头侧孔，其

8、开孔所需补强的面积为7171mm2，而有效范围内的补强面积为8689mm2，故球封头壁厚减小后，该孔无需另行补强"一1；直