压力容器壳体的优化设计1

1、PAGE PAGE 8郑州大学学论文题目：压压力容器器壳体的的优化设设计中低压压容器壳壳体的优优化设计计学生姓名名贺李萍220088036601009鲁灵灵涛200080036001177王牧苏苏20008033601123指导教师师王宝东班 级一班专 业过程装备备与控制制工程学 院化工与能能源学院院20111年5月月*日压力容器器壳体的的优化设设计中低压压容器壳壳体的优优化设计计摘要: 在可可靠性优优化设计计理论的的基础上上，探讨压压力容器器壳体优化化设计的的一般方方法。在保证一一定要求求的情况况下，以以容器壳壳体金属属消耗量量最低为为设计追追求目标标，导出压压力容器器可靠性性优化设设计的数

2、数学模型型，利用内内点惩罚罚函数法法和程序序，可以得得到在一一定长径径比范围围内满足足预定可可靠性要要求的一一系列局局部优化化设计方方案。文中论论述了压压力容器器壳体优优化设计计的方法法,简述述优化设设计的可可行性,对降低低产品成成本,增增强市场场竞争力力有着现现实的意意义。关键词: 压力力容器 壳体体 优优化设计计Absttracct: In thiis ppapeer, bassed on thee thheorry oof rreliiabiilitty ooptiimizzatiion dessignn ,iit ddisccussses on thee baasiss off opp

3、timmiziing thee deesiggn oof ppresssurre vvesssel sheell genneraal mmethhod. Wiith thee loowesst cconssumpptioon oof cconttainner forr thhe ddesiign of thee meetall shhelll too puursuue ggoalls, preessuure vesssell reeliaabillityy opptimmal dessignn deerivved a mmathhemaaticcal moddel, thhe iinteeri

4、oor ppenaaltyy fuuncttionn meethood aand VB proograam iin aa ceertaain asppectt raatioo caan bbe sscheedulled to meeet tthe relliabbiliity reqquirremeentss wiithiin aa Seeriees oof llocaal ooptiimizzatiion dessignn. TThiss arrticcle disscusssess thhe ooptiimall deesiggn oof ppresssurre vvesssel shee

5、ll appproaach, ouutliininng tthe feaasibbiliity of opttimaal ddesiign, too reeducce tthe prooducctioon ccostt, iincrreasse tthe marrkett coompeetittivee poowerrhass prractticaal ssignnifiicannce.Keywwordds: preessuure vesssell shhelll opptimmizaatioon 前 言言 设计计是一种种富有创创造性的的劳动,根据设设计任务务的特定定要求,收集相相关的现现有数

6、据据资料， 从而形形成通常常是几个个可行的的设计方方案。标标准化为为设计带带来很多多方便,同时也也给设计计者增加加了某些些约束,设计计计算经圆圆整后一一般选用用与其最最接近的的标准尺尺寸,因因此从设设计的角角度,如如果在保保证其它它要求的的情况下下,降低低压力容容器壳体体质量便便能有效效地减少少设备总总质量,从而达达到节能能、降低低成本和和价格的的目的,本文将将这部分分压力容容器壳体体尺寸进进行优化化。1优化设设计的基基本原理理11设设计变量量一个设计计方案可可以用一一组基本本参数的的数值来来表示。对对具体优优化设计计问题，并并不是要要求对所所有的基基本参数数都用优优化方法法进行修修改调整整。

7、图1压力容器器壳体质质量是由由内径、筒筒体长度度和壁厚厚来确定定，在设设计参数数一定的的情况下下，由和和可确定定壳体壁壁厚，因因此选择择壳体的的形状参参数、作为设设计变量量，如图图1所示示。1. 22目标函函数压力容器器的目标标函数就就是壳体体质量 。1.2.1 筒体质质量筒体为展展开零件件,长度度为L ,宽度度为的矩矩形材料料，筒体体厚度为为。式中 钢材材比重，； 筒筒体长度度，mmm；筒体体中径， ，mm；筒体体内径，mmm；筒体体厚度，mmm。1.2.2 封头头质量椭圆封头头为不可可展开零零件,按按等面积积法展开开,即假假设封头头中性层层曲面的的面积与与其展开开面积相相等。按按文献3可可

8、得到展展开图形形的尺寸寸,该展展开图为为圆,其其直径为为:式中:封封头中性性层直径径, mmm,封头头内径，mmm；封头头壁厚，mmm；封头头直边高高度，mmm。考虑到封封头直边边高度质质量已经经计入筒节部部分,在在此封头头质量只只考虑椭椭圆曲线线部分,即=00时展开开形状（圆形板板料）的质量量,该展展开图的的直径为为，厚度为为封头名名义厚度度,故两两个封头头质量表表达式为为：按照这一一表达式式计算所所得结果果加上封封头直边边部分质质量后基基本上与与JB/T 447299-944旋压压封头 中相应应封头质质量是一一致的。所以总目目标函数数为筒体体质量和和椭圆封封头之和和：约束条件件1.3.1全

9、容容积约束束一个可行行设计必必须满足足某些设设计限制制条件，因因此约束束对设计计空间中中的活动动范围有有所限制制，即由由、L所所确定的的壳体全全体积必必须满足足用户要要求值VV，由文文6可知，标准椭椭圆封头头圆筒形形容器全全体积公公式为：相应的约约束方程程式为：因此约束束对设计计点在设设计空间间中的活活动范围围有所限限制即可可行域的的限制。1.3.2优化化范围的的最大上上限值上式中令令,得到到,这是是一个极极限情况况。根据据JB/T 447299-944旋压压封头来来看,椭椭圆封头头的最大大内径,为了使使封头内内径既不不超过这这个范围围,又满满足全容容积值，我我们令于是有约约束方程程式：1.3

10、.3 强强度条件件根据 GGB1550规定定,壳体体厚度必必须满足足相应的的厚度计计算公式式。设计厚度度:圆整圆筒筒名义厚厚度: 封头厚度度: 圆整圆筒筒名义厚厚度: 式中: 圆筒筒设计厚厚度，mmm；封头头设计厚厚度，mmm；设计计温度筒筒体或封封头材料料的许用用应用，MMPa；钢板板厚度负负偏差；焊逢逢系数；腐蚀蚀裕量，mmm。满足上述述条件约约束方程程为：然后加上上板厚度度负偏差差，通过过计算机机自动向向上圆整整至钢板板厚度得得到筒体体厚度和和封头厚厚度。1.3.4最小小厚度条条件为了满足足制造工工艺要求求及运输输和安装装过程中中刚度要要求 ,由文11,据据工程实实践经验验,对壳壳体规定

11、定了不包包括腐蚀蚀裕量的的最小厚厚度要求求。对于碳素素钢和低低合金钢钢筒节：当筒体最小小厚度: 且相应的约约束方程程: 当，按实实际情况况确定。封头: 受压标标准椭圆圆封头的的有效厚厚度应力力不小于于封头内内径的00.155%,由由此得到到约束方方程：1.3.5 试试验压力力压力试验验一般采采用液压压试验。由文11得到到液压试试验压力力: 或，取两两者较大大值。液压静压压力:液压实验验时,圆圆筒的薄薄膜应力力须满足足如下条条件：式中: p压力力容器的的设计压压力，MMPa；容器器元件材材料在试试验温度度下的许许用应力力，MPPa；容器器元件材材料在设设计温度度下的许许用应力力，MPPa；圆筒筒

12、有效厚厚度，mm；试验验温度下下材料屈屈服强度度，MPPa；液柱柱高度，mmm；焊缝缝系数。卧式容器器：立式容器器：约束容器器：2 优化设设计的方方法压力容器器优化设设计是采采用内点点惩罚函函数法进进行计算算的， 基本原原理是求求解具有有不等式式约束的的优化问问题。式中的不不等式和和等式约约束函数数经过加加权转化化后，和和原目标标函数结结合成新新的目标标函数惩罚罚函数。式中，rr为惩罚罚因子，它它是由大大到小且且趋近于于0的数数列，即即满足：；。由于压力力容器受受厂房空空间位置置限制，优优化出来来的质量量最小壳壳体尺寸寸有可能能与上述述因素矛矛盾，故故采用排排序的方方法，通通过输入入适当的的内径步步长改变变的大小小，将各各组按目目标函数数的大小小,从小到到大的顺顺序排列列起来。4 结束语语压力容器器在设计计参数,计算范范围和优优化步长长确定的的情况下下,任何何一台压压力容器器都存在在着一个个使壳体体质量最最小的最最佳设计计方案,因此采采用优化化设