摘要：基于高压容器的特殊性，根据承压容器的物理模型，利用计算机模拟的方法建立了承压容器优化设计的数学模型，利用Solidworks Simulation的分析功能对其载荷特性进行了静力及优化分析，得出承压容器的安全性、可靠性及外形结构的最优尺寸。该分析对设计高压容器外形结构尺寸的优化及成本的降低具有一定的参考作用。

　　关键词：高压容器　Simulation　优化设计　静态分析　数学模型

　　The high-pressure vessel contour structure size optimization analysis based on Solidworks Simulation

　　Abstract: Based on the special high-pressure containers, pressure vessels in accordance with the physical model, the use of computer simulation methods of the establishment of a pressure vessel optimize the design of mathematical models, the use of Solidworks Simulation analysis functional analyze its characteristics load of static and optimization analysis . Obtain the pressure vessel safety、reliability and appearance of the structure of the optimal size. This analysis of the design of high-pressure can check the shape structural optimization of the size and cost reduction with some reference value.

　　Key words:High-pressure vessel; Simulation; Optimized design; Static analysis; Mathematical model

　　优化设计是一门发展很快的技术，它的不断发展为高压容器的设计注入了新的活力。随着现代工业科学技术和计算机技术的发展，高压容器的应用愈来愈广泛，CAD/CAE及优化技术在机械设计过程中显得越来越重要[1]。由于高压容器的特殊性，如何提高高压容器的安全性及降低其成本在高压容器的设计中显得愈加突出，而CAE分析技术和优化技术恰好为解决这一问题提供了一种有效、合理的设计手段[2]。本文即基于此对高压容器进行有限元分析及外形结构尺寸的优化，为高压容器设计的安全性及降低成本等提供一定的理论依据。

* 煤炭科学研究总院西安研究院自筹资金项目

　　1 筒体结构模型

　　筒体是高压容器的主要组成部分(此处不考虑底部封头及上端连接部分)，此处筒体由受载荷长端和不受载荷的顶端连接筒两部分组成。在实际制造方面，受载荷的长端和不受载荷的连接筒为一体，材质选为16MnDR。高压容器平面图如图1所示，容器全长6000mm，其中受载荷长端长度为5750mm，不受载荷的顶端连接筒长度为250mm。

　　图1 压力容器筒体结构图

　　2 数学模型的建立

　　2.1 设计变量的选取

高压容器壳体的质量主要由筒体的内径、筒体长度及筒体的厚度决定的，因此选取筒体厚度、筒体内径和筒体长度(承压部分)L作为设计变量，即：

(1)

　　2.2 目标函数的建立

　　由于结构模型仅仅考虑承压容器部分，不考虑封头等其它零件，因此此处以承压容器壳体质量最小(即总耗材最省)作为优化目标，则目标函数可表示为：

(2)

式中 — 容器材质密度，kg/m3;

— 筒体外径，mm;

— 筒体内径，mm;

— 筒体长度，mm。

　　2.3 约束条件的确定

　　约束函数应根据承压容器设计的要求和结构、运输、安装等条件的限制和已有的研究成果列出，此处确定了如下约束条件和对应的约束函数：

　　< >强度条件 (3)

式中 — 筒体的计算厚度，mm;

— 计算压力，MPa;

— 设计温度下材料的许用应力，MPa;

— 焊接接头系数。

由式(3)计算出的厚度加上管材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 必须小于等于筒体厚度，因此得到如下约束条件：

　　故不等式约束方程为：

(4)

　　< >最小厚度条件

　　故不等式约束方程为：

(5)

　　< >内径优化范围 (6)

　　< >筒体长度的优化范围 (7)

　　由式(7)可以得出当D取最小值时L则为最大值Lmax，且Lmax>L，因此得出承压容器筒体的长度约束方程为：

(8)

　　< >压力试验条件需满足下式[4]：

(9)

　　故承压容器的压力试验条件为：

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