关于压力容器设备壁厚优化设计的分析

关于压力容器设备壁厚优化设计的分析

杨冰

浙江省特种设备科学研究院， 浙江 杭州 310020

摘要：压力容器设备在传统设计方法中采用增大设备壁厚来保证其安全性，造成设备庞大且浪费材料。针对上述问题，采用ANSYS有限元分析平台，将优化技术与有限元法结合起来，在满足设备强度和刚度要求下，使得设备重量最轻，实现轻量化设计，为类似设备设计分析提供新的参考思路。

关键词：压力容器设备；壁厚；优化

引言：压力容器设备广泛应用于机械、化工、石化等各个行业领域，在传统设计方法中，设计师总是采用增大设备壁厚来保证其安全性，设计标准也采用基于“弹性失效”准则原理和薄膜理论，以第一强度理论和经验计算公式来对压力容器设备进行设计。这样虽然具有较高的安全性，但是增加了设备重量也造成了材料浪费。随着有限元分析技术和优化设计方法的越来越成熟使用，将其应用于压力容器设备的设计中，从而满足设备在设计的强度和刚度要求下重量最轻，实现轻量化设计。

1. 压力容器设备壁厚设计理论

针对压力容器设备开展壁厚优化设计是一项复杂的工作，需要朝着预定的结果使用特定的优化设计方法，综合考虑多方因素，才能够通过参数迭代得到比较优质的设计结果。首先就应当结合压力容器设备的实际使用状况，以及物理状况建立起相应的3D模型，考虑这些设备实际使用过程中一些环境因素以及设备使用的要求，来确定相应的约束条件，并结合设计的目标确定优化设计的结果。至此就已经为开展压力容器设备壁厚设计奠定了扎实的基础。经过大量的实践探索，目前能够运用在压力容器设备壁厚优化设计过程中的案例比较多，能够从中得到一些丰富的经验。通过函数计算来确定从目标函数以及约束条件函数，最终得到的结果应当是不同的向量组合。然后需要由相关的工作人员以及使用标准来确定最优质的优化设计方案。对于一些大型的压力容器设备壁厚优化的过程中，应当使用有限元分析法，这样能够极大地降低优化设计的难度。有限元的分析方法广泛应用在电子分析以及结构优化领域中，展现出了极强的应用优势。最终通过有限元分析方法得到的结果基本上都能够满足实际优化条件的需求。在应用最小二乘法来确定误差情况^[1]。优化设计的过程中需要做好权值的设定，这主要是基于优化设计提供最重要的一些因素进行考虑的，如果一些因素显得尤为重要，则应当加大权值，这样就会在最终的向量组合中有所体现。数据迭代的过程是比较漫长的，可以应用一些专门的有限元分析方法软件来进行计算机数据处理，极大地提高了设计优化的精确性以及可靠性。从一些优化设计案例中可以看出，所得到的结论基本上都能够使得壁厚保持在较小的范围内，整体的重量呈现出最低的状态，达到了预期实现轻量化设计的目标，具有较强的可行性。

2. 构建有限元优化分析设计模型的研究

1. 确定条件。在应用有限元优化设计方法的过程中，就需要确定出压力容器设备使用条件，以及预期的优化目标。一般来说都需要应用轴对称的结构，这实际上对应用有限元分析方法是有利的，因为进行有限元分析往往都需要对整个模型进行数据建模的工作量比较大，一个细节性数据出现的问题，就有可能影响到整体的优化设计效果^[2]。在应用轴对称结构的前提下，需要建立起一半的模型，就可以对整个模型进行优化分析。

2. 优化设计过程。在优化设计的过程中，首先就应当确定出划分网格的方法，然后就可以实现对模型的网格划分，从而得到相应的坐标数据。接下来进行施加荷载以及约束。目前关于计算机有限元软件能够提供多种优化方法，针对压力容器壁厚优化过程，使用预先优化的方法即可，能够达到较强的优化效果。最终通过有限元分析软件将结果记录下来。从相关的数据记录中可以看出，有限元分析软件所提供的优化方法实际上是不停地对数据进行迭代，按照设定的一些约束条件以及约束目标不断的接近目标，最终达成目标就可以结束优化过程。这里主要是降低压力容器设备的壁厚，并且减少整体的重量。一旦目标函数达到了条件，或者是迭代次数达到了设定的次数就可以终止优化过程。考虑到数据迭代的情况，一般来说将迭代次数设置为几十次即可，基本能够得到比较满意的优化设计方案。然后再通过相应的制图软件，将得到的优化设计方案中的数据进行体现，就可以更加直观的得到压力容器设备壁厚优化的效果，十分直观，并且工作量得到了大大的缩减，精确性得到了有到的确保^[3]。

3. 压力容器设备壁厚优化的思考

1. 有限元分析法的优势。有限元分析方法无疑对于压力容器设备壁厚优化是具有可行性的，通过本文上述的研究，也能够展现出运用这种方法的可行性比较高。在一些压力容器设备体积比较小的场合下，可以不使用有限元分析方法。但是在现代工业领域中，一般使用的压力容器设备壁厚优化，往往都是针对一些大型化的产品或者是设备。就是因为对于一些小型化产品来说，进行设备壁厚优化实际上不能够很明显地降低使用成本，或者是减小使用空间。如果是针对大型的设备或者产品进行壁厚优化，在批量化生产中更容易降低成本，并且压力容器设备的体积有所减小，提高了产品的竞争优势，有利于实现更大范围内的市场推广。

在应用有限元分析方法的过程中，最复杂的一项过程就是需要进行建模。要严格确保建模过程中所得到的各项数据的准确性，一旦一些数据出现的问题，后期所有的优化工作都是徒劳。在进行优化设计的过程中，应当做好校核工作，在多种条件下来实现数据测算，在可行域范围内实现对不同优化方案的综合评价。如果在没有特殊要求的情况下，一般都是需要降低整体的设计成本以及生产制造成本，并且降低生产制造过程的难度。

2. 其他优化设计方法。除了应用有限元分析方法之外，还有一些其他的优化设计方法同样能够达到比较好的优化设计效果。比较突出的就是一些智能寻优算法，主要有神经网络算法、遗传算法、粒子群算法等。这些智能算法同样能够经过计算机来进行一些数据迭代。按照预期的优化设计目标确认相应的目标函数，通过优化设计过程中的一些法则来确定优化约束条件。然后执行这些智能算法，最终就能够在满足这些条件之后自动停止迭代，并且保存得到的结果。与有限元分析方法不同的是不再需要建立起精确的压力容器设备的模型，使得整体的工作量得到了有效的缩减，同样能够确定比较好的优化设计效果，实现压力容器壁厚优化的轻量化目标。并且应用这些智能寻优算法的难度比较低，很容易在各种应用场合下得到使用。在应用神经网络优化算法的过程中，可以将传统优化设计过程中一些专家的经验进行融合，极大地提高了最终优化设计方案的可行性以及可靠性。但是从目前这方面的研究看来，关于压力容器设备壁厚优化的过程中，不可避免地会使用到计算机设备，实现对大量数据的在线整合以及处理^[4]。只有严格确保压力容器设备的各项数据的真实性，才有利于开展接下来的优化工作。并且可以根据不同的设计优化需求来确定相应的约束条件，适用范围比较广。

结束语：开展压力容器设备壁厚优化是比较复杂的，可以应用多种方法来开展这项工作。在此过程中，应用有限元分析方法具有较强应用优势，相关使用经验也比较丰富。除此之外，还可以应用一些智能优化算法，优化设计的难度得到了降低，并且适用范围比较广。还是应当结合实际优化设计的需求以及相应的使用需求来确定目标函数以及约束条件。

参考文献：

[1]丁振兴.压力容器设备壁厚优化设计分析[J].机电工程技术,2019,048（003）:130-132.

[2]王庭秀.压力容器设备壁厚优化设计[J].石化技术,2020,v.27（02）:52+59.

[3]杨晨.压力容器设备壁厚优化设计[J].化工管理,2019,000（026）:139-140.

[4]孙主.容器设备壁厚优化设计[J].装备维修技术,2020,No.176（02）:54-54.