秦增偉

(遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司金屬結(jié)構(gòu)安裝工程公司)

基于 ANSYS冷高壓分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

秦增偉＊

(遼河石油勘探局油田建設(shè)工程一公司金屬結(jié)構(gòu)安裝工程公司)

對冷高壓分離器球形封頭與筒體連接區(qū)建立了基于分析設(shè)計的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,利用有限元程序ANSYS提供的參數(shù)化設(shè)計語言 APDL及優(yōu)化模塊 OPT,建立了參數(shù)化有限元分析模型并進行了優(yōu)化計算,實現(xiàn)了壓力容器不連續(xù)區(qū)分析設(shè)計意義上的優(yōu)化設(shè)計。

冷高壓分離器 不連續(xù)區(qū) ANSYS 優(yōu)化設(shè)計 壓力容器

冷高壓分離器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外加氫裂化裝置中。冷高壓分離器上一般都采用半球形封頭 (如圖 1所示)。由于半球形封頭受力均勻,所以封頭厚度與相連筒體的厚度相差比較大。因此,筒體與封頭之間必然存在過渡區(qū)域,通常采用錐形過渡段進行連接[1、2]。而錐形過渡段則通過削薄筒體端部的方法獲得。由于結(jié)構(gòu)不連續(xù),使得該過渡區(qū)域成為高壓容器的高應(yīng)力區(qū)之一。利用 ANSYS的有限元參數(shù)化建模以及優(yōu)化模塊可以對壓力容器類似不連續(xù)區(qū)進行應(yīng)力分析及優(yōu)化設(shè)計,使不連續(xù)區(qū)的應(yīng)力水平達到最低。而評判不連續(xù)應(yīng)力水平時引入分析設(shè)計中應(yīng)力評定的觀點,則可以實現(xiàn)基于分析設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 裂化反應(yīng)產(chǎn)物冷高壓分離器

1 ANSYS優(yōu)化理論

有限元數(shù)值計算技術(shù)與優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的ANSYS優(yōu)化設(shè)計,主要依靠其參數(shù)化設(shè)計語言 APDL(ANSYS Parametric Design Language)及優(yōu)化模塊OPT(Optimization Tools)來實現(xiàn)[3]。

主要步驟如下:

(1)生成循環(huán)所用的分析文件。該文件必須包括整個分析的過程,而且必須包含參數(shù)化建立模型、求解及提取狀態(tài)函數(shù)變量和目標函數(shù)變量幾項。進入OPT,指定分析文件。

(2)聲明優(yōu)化變量。

(3)選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。

(4)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。

(5)進行優(yōu)化分析。

(6)查看設(shè)計序列結(jié)果。

應(yīng)該指出的是,實現(xiàn)上述有限元數(shù)值計算與優(yōu)化相結(jié)合的一體化設(shè)計的關(guān)鍵在于第一步。從模型建立到網(wǎng)格劃分,從邊界條件的施加到求解,從應(yīng)力分析路徑選定到各類應(yīng)力數(shù)據(jù)提取以及各應(yīng)力水平系數(shù)的計算,都必須完全參數(shù)化,只有完全參數(shù)化的分析文件才能與優(yōu)化相結(jié)合。而建立完全參數(shù)化分析文件的關(guān)鍵則在于靈活使用 ANSYS程序提供的選擇集命令與數(shù)據(jù)庫參數(shù)化提取命令[4]。

2 優(yōu)化設(shè)計實例

某煉廠裂化反應(yīng)產(chǎn)物冷高壓分離器 (見圖 1),設(shè)計壓力 P=7.5 MPa,設(shè)計溫度 t=60℃,材料16MnR。筒體內(nèi)半徑 R1=700 mm,壁厚δ1=40 mm;封頭的內(nèi)半徑 R2=706 mm,厚度δ2=28 mm。在設(shè)計溫度下,筒體的許用應(yīng)力[S]1=157 MPa,封頭的許用應(yīng)力[S]2=163 MPa。

優(yōu)化設(shè)計過渡段削邊長度L,使過渡區(qū)最大應(yīng)力水平系數(shù)最低。因主要討論封頭與筒體過渡區(qū)應(yīng)力狀況,故忽略封頭上其它結(jié)構(gòu),建立如圖 2所示的有限元分析模型。

圖2 封頭與筒體過渡區(qū)有限元網(wǎng)格劃分模型

圖3 封頭與筒體過渡區(qū)應(yīng)力有限元分析模型

有限元計算采用 ANSYS提供的 8節(jié)點四邊形單元 PLANE82對封頭與筒體進行過渡有限元網(wǎng)格劃分。L=92mm時計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,最大應(yīng)力強度出現(xiàn)在封頭與過渡區(qū)連接線的內(nèi)壁。為此將封頭與過渡區(qū)連接線取為第 1條應(yīng)力處理線,同時將筒體上封頭切線位置取為第 2條應(yīng)力處理線 (見圖 4)。

以削邊長度L為設(shè)計變量,根據(jù)文獻 [5],有:

L的上限應(yīng)根據(jù)內(nèi)壁可削邊長度 L1及外壁與封頭相切原則所確定的外壁削邊長度 L2來確定 (見圖 3),并取較小者。

式中 R1、R2——分別為圓柱殼和球殼內(nèi)徑δ1、δ2——分別為圓柱殼和球殼厚度

圖4 球形封頭與筒體連接區(qū)結(jié)構(gòu)

狀態(tài)參數(shù):

式中 α——錐形段斜邊傾斜角

R2——球殼內(nèi)半徑

優(yōu)化任務(wù)是使球殼和錐形過渡區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)最小,所以目標函數(shù)為:

其中,K為應(yīng)力集中系數(shù),Smax(L)為球殼和圓殼通過線性變厚度連接結(jié)構(gòu)的最大當量應(yīng)力(按第四強度理論),S=PR2/(2t2)為球殼部分的當量膜應(yīng)力。

約束條件:

應(yīng)用 First-Order優(yōu)化方法對模型進行優(yōu)化,并對優(yōu)化結(jié)果進行分析,顯示目標函數(shù)變化規(guī)律(見圖 5)及最佳優(yōu)化序列 (見表 1)。結(jié)果表明,當L=68.907 mm,α =90°-5.6011°=84.3989°時,結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)最小,為最佳結(jié)構(gòu)尺寸。

表1 最佳優(yōu)化序列

圖5 一階優(yōu)化目標函數(shù)變化規(guī)律曲線

3 結(jié)語

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上,利用有限元程序ANSYS提供的參數(shù)化設(shè)計語言APDL及優(yōu)化模塊OPT對冷高壓分離器球殼與筒體不連續(xù)段的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后可使不連續(xù)區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)最小,為高壓容器此類不連續(xù)區(qū)的安全運行提供了必要的保障。

[1] GB 150-1998.鋼制壓力容器 [S].北京:國家標準監(jiān)督局,1998.

[2] 王志文.化工容器設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

[3] 余偉煒,高炳軍,等 .ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 劉國慶,楊慶東 .ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[5] JB 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準 [S].1995.

＊秦增偉,男,1980年 1月生,工程師。盤錦市,124120。

2009-12-02)