宋來兵 馮哲 王作旺

山東陽谷祥光銅業(yè)有限公司，山東陽谷，252300

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)在壓力容器中的仿真研究

宋來兵 馮哲 王作旺

山東陽谷祥光銅業(yè)有限公司，山東陽谷，252300

本文首先以基本設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)建立了壓力容器的三維模型。然后模擬了現(xiàn)實(shí)工作狀況，對(duì)壓力容器進(jìn)行了靜應(yīng)力分析。最后，在外部載荷一定的條件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技術(shù)對(duì)壓力容器的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

虛擬樣機(jī)；壓力容器；有限元

1 緒論

虛擬樣機(jī)技術(shù)是20 世紀(jì)末發(fā)展起來的一門新技術(shù), 在功能方面虛擬樣機(jī)與物理樣機(jī)具有一定的相似度。虛擬樣機(jī)技術(shù)在虛擬條件下即可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)與分析；虛擬樣機(jī)通過數(shù)學(xué)模型表示了物理樣機(jī)中各零件之間的幾何關(guān)系、連接關(guān)系、運(yùn)動(dòng)特性等。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)仿真, 可以獲得壓力容器的多種性能指標(biāo)設(shè)計(jì)方案。從而，有效地減少了機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高了壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)的載體，在各個(gè)領(lǐng)域起著重要作用。壓力容器在工作過程中不僅要承受一定壓力，而且且工作環(huán)境常常處于高溫、真空、腐蝕等。當(dāng)設(shè)計(jì)不合理，壓力容器中應(yīng)力集中部位容易發(fā)生裂紋現(xiàn)象。在工作過程中裂紋將逐步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致容器發(fā)生爆炸、燃燒事故等。

2 壓力容器模型的建立

該壓力容器為常壓容器，其規(guī)格為φ2500mm×3000mm，管口的連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)、連接面形式、用途如表1所示。

表1 管口尺寸

該壓力容器中的工作介質(zhì)有水、鹽酸、皂液、乳化劑等。容器中的混合液經(jīng)HJ弧葉槳式攪拌器攪拌均勻后由泵從N07口輸送到壓力管道中。壓力容器的管口方位如圖1所示，利用solidworks建立的三維模型如圖2所示。

圖1 管口方位

圖2 三維模型

3 有限元分析

有限元分析作為一種先進(jìn)的分析手段,目前已廣泛應(yīng)用于壓力容器的應(yīng)力分析與設(shè)計(jì)中，有限元法的實(shí)質(zhì)是把連續(xù)體用有限個(gè)單元體來代替,從而把連續(xù)體的分析轉(zhuǎn)化為單元體分析。本文利用Solidworks Simulation為設(shè)計(jì)的壓力容器進(jìn)行有限元分析，評(píng)估了壓力容器承受載荷條件的能力。壓力容器各部分采用的材料特性圖表2所示。

表2 材料特性

3.1 建立約束

對(duì)壓力容器進(jìn)行靜態(tài)分析，首先要為加載約束。該容器屬于固定式壓力容器，因此選擇四塊墊板為固定幾何體，如圖3所示。

圖3 固體幾何體

3.2 施加載荷

壓力容器在工作過程中的載荷如表3所示。

表3 解算器信息

3.3 網(wǎng)格劃分

多區(qū)域網(wǎng)格的劃分將會(huì)影響計(jì)算結(jié)果精度和計(jì)算規(guī)模大小。本文利用Solidworks Simulation自帶的工具進(jìn)行殼網(wǎng)格劃分。壓力容器的網(wǎng)格劃分如圖5所示，解算器信息如表4所示

圖5 網(wǎng)格劃分

表4 解算器信息

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 有限元結(jié)果分析

從圖 3 可以看出，在給定條件下，Von Mises等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在筒體和上端法蘭處，為 1.520×108N/m2，小于材料的屈服極限，是安全的。應(yīng)力最小值分別出現(xiàn)在橢圓形封頭和支撐立柱部分，其值為 2.0×102N/m2，安全性較高、材料富裕量較大。最大位移量發(fā)生在筒體和上端法蘭部分，其最大值為8.782×10-1mm，最小位移量為1.0×10-3mm。應(yīng)力、位移、應(yīng)變的比較如圖6所示。

圖6 應(yīng)力位移應(yīng)變的比較

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案往往不是唯一的，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是從多個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案中尋找最優(yōu)方案。通過Solidworks Simulation有限元分析技術(shù)來尋找最佳解決方案，以最低的成本。

若試將原設(shè)計(jì)中的筒體、封頭壁厚改為6mm，其余不變。網(wǎng)格劃分運(yùn)行后，得出最大應(yīng)力數(shù)值為1.650×108N/m2，最小應(yīng)力為5.109×102N/m2。最大位移量發(fā)生在筒體和上端法蘭部分，其最大值為1.121×101mm，最小位移量為1.0×10-3mm，應(yīng)力、位移、應(yīng)變的比較如圖7所示。

圖7 應(yīng)力、位移、應(yīng)變比較圖

修改后的設(shè)計(jì)既可以節(jié)約材料，又符合壓力容器的工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文首先以基本設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)建立了壓力容器的三維模型；然后模擬了現(xiàn)實(shí)工作狀況，對(duì)壓力容器進(jìn)行了靜應(yīng)力分析；最后，在外部載荷一定的條件下，利用Solidworks Simulation有限元分析技術(shù)對(duì)壓力容器的壁厚進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該分析為同類型壓力容器的設(shè)計(jì)提供了一定理論依據(jù)。

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宋來兵/1985年生/男/山東聊城人/學(xué)士/研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械方面的應(yīng)用