ANSYS Workbench压力容器壁厚优化设计实践

在传统的压力容器设计中，为了保证容器的安全性，设计者总是尽量增大容器的壁厚，以增加容器的承压能力。随着分析设计概念的提出，设计者越来越多地对压力容器结构进行优化设计，通过这一过程，可以提高产品设计刚度，满足技术指标及结构轻量化的目标。本例通过压力容器壁厚优化设计，最终在满足给定刚度和强度要求下，使容器的重量达到最小。

问题描述

现有一处于设计状态的反应器如下图所示，反应器筒体壁厚均均，无尖角，但在端部部位壁厚在过渡位置处有所增加。

整个反应器采用同一种材料制造，其参数如下：

设计压力：P=23MPa（工作压力为21MPa）

弹性模量：E=206GPa

泊松比：μ=0.3

设计要求：通过壁厚的优化设计，使最终在满足给定的刚度和强度要求下，整个反应器的重量达到最小。筒体壁厚参考范围16≤t1≤19，端部壁厚21≤t2≤25。规定[σ]=250MPa。

分析说明

下面建立力学模型，根据压力容器结构特性和受力特点，采用轴对称结构，在容器内壁施加垂直于壁面的均匀压力P=23MPa，在封头端部，根据材料力学理论，其水平拉应力为17.68MPa，方向为y轴正向。

根据截面结构显示，选定容器的壁厚t1、t2作为设计变量。σ为优化设计中结构的等效应力强度，作为一个约束条件。综上所述，可得到反应器结构优化设计的数学模型为：

16≤t1≤19

21≤t2≤25

Wt=minf(X)

X=[t]

σ≤[σ]

其中f（X）表示压力容器的重量。

模拟过程

采用二维轴对称模型，建模过程中对筒体壁厚参数化，命名为t1、对端部壁厚参数化，命名为t2，模型尺寸如下图所示，h1=298.5mm,、b1=44.5mm、t2=23mm、b2=b1+t2、r1=185、t1=18、r2=r1+t1、r3=63mm，r4=40mm。

模型尺寸边界条件

在Model中，设置网格尺寸为5mm，划分网格并施加边界条件如图所示，求解，得到等效应力云图。由于二维模型没有厚度，因此取模型的面积作为输出参数，同时将最大等效应力参数化。

参数设置

将Response Surface Optimization拖入项目流程图中，该模块和参数空间自动连线。双打开Design of Experiments，在P1设计参数属性的表格里设置参数范围21~25，同样设置P2为16~19，工具栏点击updat更新样本设计点。

在工具栏点击project返回项目流程图，双击response surface，更新响应面结果。

响应面搜索结果

点击Min-Max Search得到最大跟最小的输出参数所对应的输入参数值

响应面吻合度结果

点击Metrics-Goodness Of Fit，查看吻合度结果以及预测值与观测值的归一化结果图。

响应面结果

在response point子目录下点击response，响应面属性可设置为2D或者3D，Axes选择X轴与Y轴的参数，便可查看响应面结

果。

最大等效应力与筒体壁厚的关系

最大等效应力与端部壁厚的关系

参数灵敏度结果

在response point子目录下点击local sensitivity，查看设计点对输出参数的灵敏度大小。

优化设计

在工具栏点击project返回项目流程图，双击Optimization，进入优化模块。在Optimization子目录下Objectives and Constraints添加约束条件。在Optimization子目录下Objectives and Constraints添加约束条件。

优化评定准则

Update后，在Results中点击Candidate Points查看最佳候选设计点。可以看出，ANSYS给出了三个最佳候选设计点。当取t2为21.09mm，t1为17.22mm时，反应器的重量最小且满足最大等效应力小于等于250MPa，充分利用了材料，使产品设计更加合理。

在Optimization子目录下Objectives and Constraints添加约束条件。

优化评定准则

Update后，在Results中点击Candidate Points查看最佳候选设计点。可以看出，ANSYS给出了三个最佳候选设计点。当取t2为21.09mm，t1为17.22mm时，反应器的重量最小且满足最大等效应力小于等于250MPa，充分利用了材料，使产品设计更加合理。

最佳候选设计点

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