Hyperworks引领压力容器轻量化设计潮流

1.设计背景

压力容器在机械、石油化工、食品、轻工等多种工业领域得到了广泛地应用。考虑到容器的安全性问题，设计者总是通过增大压力容器壁厚，以增强容器的承压能力，设计的容器既笨重又浪费材料，制造的成本明显较高。因此，设计出既满足性能要求又节约材料的压力容器就成为设计者们追求的目标。

本文采用 Hypermesh有限元分析软件建立了压力容器的三维模型，对容器各部位进行详细的应力计算与分析。将容器的质量作为优化目标，结构的等效应力作为约束条件，通过Optistruct对容器的壁厚进行了优化，降低了结构的厚度，使得材料得到了有效地利用。

2 压力容器结构参数

图1为压力容器，其球形封头与接管连接区的结构如图1所示，相关参数见表1所示。容器的封头材料为16MnR，接管材料选用16Mn。

图1 压力容器结构

表1   压力容器结构参数

3 压力容器简化模型的建立

压力容器的设计压力=32Mpa，弹性模量，泊松比。壁厚的取值范围，，许用应力为。

为了提高后续有限元优化设计计算的效率，根据结构特性和载荷特性，取压力容器的四分之一进行有限元优化设计，在Hypermesh中建立结构模型，对模型进行网格划分如图2所示。

图2 模型的有限元网格

4 Hypermesh求解计算及结果分析

该模型为对称结构，可以对模型的四分之一施加对称边界条件。其内表面承受的压力为设计压力，容器接管端部所受轴向拉应力为：

求解得应力结果如图3所示。由应力云图可知，最大应力出现在封头与接管连接处，最大应力值为222.5MPa，小于许用应力250Mpa。所以压力容器壁的强度存在较大富裕，具有轻量化的优化空间。

图3 优化前模型的应力云图

5 压力容器壁厚的优化

根据压力容器壁厚的应力分析，为了节省材料，降低生产成本，需要对压力容器的壁厚尺寸做进一步的改进。根据图1所显示的结构，将容器的壁厚、作为设计变量，为优化设计中结构的等效应力强度，并作为约束条件，压力容器质量WT为目标函数。由以上分析可得压力容器结构优化设计的数学模型为:

优化的结果应力分布如图4所示，由图4可知压力容器壁最大应力为249.7MPa, 小于许用应力250Mpa，符合工况要求。

图4 优化后模型的应力云图

表2 优化前后主要参数

由表2可知在满足应力强度和安全性的条件下，封头壁厚减小了11%，接管壁厚减小了37.5%，容器质量减小了12.5%，优化效果明显，大大节约了工程材料。

6 总结

1）本文采用Optistruct对压力容器结构在满足强度的前提下进行地轻量化设计，封头壁厚减薄了11%，接管壁厚减薄了37.5%，目标函数WT在较少了约12.5%，得到了缓冲器封头和接管壁厚最合理的尺寸，节省了工程材料，同时降低了制造成本，也进一步印证了有限元分析技术在优化设计中的应用价值。摒弃传统结构设计的被动校核方法，主动地在可行域内寻找最佳设计方案，就可以在很大程度上减少设计的成本、缩短了设计周期，使产品的设计得更加合理。

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