压力容器壳体的有限元分析及优化设计

1、第卷第期（总第期）机械管理开发年月（）压力容器壳体的有限元分析及优化设计闫红红，张亚。张艳军（中北大学机电工程学院，山西太原）【摘要】鉴于压力容器安全问题的重要性，传统的设计偏于保守，壳体较厚重。利用有限元分析软件（）对壳体进行有限元分析，在保证其它要求的情况下，尽可能的减小压力容器壳体质量，从而有效地减少设备总质量达到节能、降低成本和价格的目的。【关键词】压力容器；壳体；有限元分析【中图分类号】【文献标识码】“【文章编号】（），）】，。，鹊，】斑瞎弛；引言块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非

2、线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料】。有限元技术已经发展成为计算机辅助分析的核心。利用有限元分析及优化技术，可以通过改变结构设计参数，从而找到满足使用条件的最合理的结构形式。应用实例【压力容器是化工、炼油、机械中广泛使用的承压设备。压

3、力容器设计方法有两种，规则设计和分析设计。它们最大区别在于是否需要对压力容器做应力分析。目前，对结构做应力分析基本上有三种方法：解析分析、实验分析、数值分析。解析分析方法需要在结构和结果精度之间寻求一个折衷。实际结构一般都比较复杂。要对它们进行解析分析决非易事。结构一般要进行简化，而分析人员更要掌握较扎实深厚的力学理论知识才能完成这一重任。实验方法在其精度上具有无可比拟的优点，但其费用高昂，操作复杂，费时费力，不适于在设计过程中采用。实际上最有效、使用最普遍的应力分析方法是数值分析方法。通常是指有限元分析方法。通过计算机模拟各种结构的工作状况，准确计算其变形和应力。使产品在设计阶段就能够对其各

4、项性能进行评估。及早发现并及时改进设计上存在的问题从而大大缩短设计研发周期。有限元分析软件的简介软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与多数软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级工具之一。问题简迷。受内压力作用的圆筒形薄壁容器，压强，圆筒部分的内径脏，材料为钢，其叮。弹性模量，泊松比妒旬。理论分析在压力容器设计中，在一定条件下可以忽略存在于器壁中的弯矩。按这一理论计算壳体中应力的方法。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模收稿日期：；修回日期：作者简介：闫红红（一），女，山西晋中人，硕士研究生。研究方向：机电系统设计与分析技术。第卷第

5、期（总第期）闰红红。等：压力客器壳体的有限元分析及优化设计年月即为无力矩理论。根据回转壳体的无力矩理论。在内压的作用下，薄壁圆筒形壳体内会产生轴向拉应力盯，和环向拉应力，且两向应力沿壁厚均布。圆筒形壳体轴向拉应力：仃“仃）圆筒形壳体环向拉应力：声（），盯用的是环向拉应力，强度条件为：（）（）【州（）（）（）个耦合自由度：在节点处定义轴向拉应力的总合力；在单元上施加内压。）在求解模块中，设置输出选项后求解。）在后处理模块定义单元表提取单元应力后处理器是用来分析处理求解结果信息和以各种方式提取结果数据信息的工具。通过单元表分别定义轴向应力和环向应力，用结果提取命令来获得应力值如表所示。表柱形容器在

6、不同壁厚的轴向、环向应力计算结果壁厚（由上述分析可知，对圆筒形壳体强度起决定性作式中：一球壳内部压强，；一球壳内径，；一球壳的壁厚，；叮一材料许用应力，。由公式（）可得：轴向应力（环向应力，（有限元分析对于上述的压力容器，我们一般采用薄壳模型。利用轴对称壳单元模型进行分析，确定在满从表中可看出：通过计算结果的数值相比较，在满足设计要求的情况下可以根据压力容器具体工况来选取壳体壁厚的最佳值。结束语借助计算机应用一些精确度较高的力学的数值分析方法进行分析计算，可从大量的可行设计方案中寻找出一种满足工况的最优设计方案。有限元软件研究各种因素相互制约影响来真实地模拟实际情况。文中通过有限元分析，得到不

7、同壁厚的壳体足咖时最佳壳体壁厚，使压力容器壳体重量在满足工况下达到优化。取叽，盯，。轴向的长度可以任意选取这里选择了，在半径方向使用了节点耦合关系。如图所示。）定义分析类型为静力分析；定义单元类型为轴对称壳体单元：用实常数定义命令来定义壳体单元厚度分别为、圈利用轴对称单元模拟柱形容器的应力值设计者可根据具体实际工况需要选择最佳壁厚。计算分析减少了大量的探索性实验。极大地减少了研制成本和实验工作量。参考文献；定】史南达，鲍务均利用有限元软件对压力容器进行优化设计机械设计与制造，（）：压力容器实用技术丛书编写委员会压力容器设计知识北京：化学工业出版社，（）：；邢静忠应用实例与分析【】北京：科学出版

8、社，义材料的弹性模量；泊松比，。）节点命令在（，）位置定义节点，在（，）位置定义节点；过节点和定义单元。）位移约束命令分别对、节点的相应自由度进行约束；用耦合自由度定义命令将、节点的方向的自由度定义为第（上接第页）软件设计一程序设计随着微电子技术和计算机技术的发展，现在的除保留“与”、“或”、“非”等基本逻辑指令外，还有很多数据处理、通信方面的指令。除了梯形图编程外，还有助记符编程方法。本系统采用梯形图编程，软件采用欧姆龙公司的新编程软件。结束语淬火工序自动化生产控制系统具有控制准确、操作方便、易于扩展、便于维护等优点，并且很好的旺专曼曼寡要曼旺芒旺旺矗芒宣砖芒蔓蔓一要童蛊旺旺宣蛊§蔓孽满足了对钻杆管体与接头摩擦对焊缝的淬火热处理工艺过程