壓力容器有限元技術(shù)設(shè)計(jì)方法探討

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摘要：壓力容器設(shè)計(jì)，是設(shè)備后續(xù)應(yīng)用安全化、穩(wěn)定化的保障性條件?；诖?，文章結(jié)合有限元技術(shù)與壓力容器的相關(guān)理論，著重從宏觀設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建等方面，探究基于有限元技術(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以達(dá)到明晰設(shè)計(jì)規(guī)劃因素，推進(jìn)壓力容器生產(chǎn)測(cè)量方式科學(xué)調(diào)節(jié)的目的。

關(guān)鍵詞：有限元技術(shù)；壓力容器；設(shè)計(jì)方法

引言

壓力容器，是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中最主要的輔助操控設(shè)備，它具有基礎(chǔ)性、科學(xué)性、以及多元性等特征。為了確保壓力容器在日常應(yīng)用中的作用得到充分發(fā)揮，除了針對(duì)設(shè)備操控的一般流程進(jìn)行安全防護(hù)，也需要從容器自身設(shè)計(jì)視角上尋求防護(hù)要點(diǎn)，而滿足后者的實(shí)踐條件，就是要在資源設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)行技術(shù)因素的優(yōu)化。

1有限元技術(shù)與壓力容器概述

1.1有限元技術(shù)

有限元，是數(shù)學(xué)中采用求解偏微積分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)[1]。有限元求解過(guò)程中對(duì)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每一個(gè)區(qū)域都分割為簡(jiǎn)單的構(gòu)成部分，其結(jié)構(gòu)結(jié)可以稱作是有限元[2]。一般來(lái)說(shuō)，有限元區(qū)間中包含了多重處理方法，它可以在眾多區(qū)域范圍之內(nèi)尋找到一個(gè)合理的近似值，并進(jìn)一步得到可以滿足條件的平衡值，其過(guò)程就是有限元分析形態(tài)。有限元技術(shù)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等，就是典型的有限元技術(shù)運(yùn)用形態(tài)。

1.2壓力容器的作用及分類

壓力容器，是指用于盛裝氣體或者液體，能夠承載一定壓力的密閉設(shè)備，它在當(dāng)代工業(yè)、民用、軍用等領(lǐng)域均發(fā)揮著不可忽視的作用[3]。隨著壓力容器的應(yīng)用范圍逐步拓展，壓力容器的種類也在不斷增加，結(jié)合當(dāng)前設(shè)備應(yīng)用的基本狀況，可將其分類方式歸納如下：(1)應(yīng)用作用劃分。壓力容器可區(qū)分為反應(yīng)壓力、換熱類、分離類、以及保壓類四種；(2)依據(jù)壓力等級(jí)劃分。容器可分為低壓、高壓、超高壓三類。

2基于有限元技術(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)方法

2.1壓力容器設(shè)計(jì)宏觀概括

壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先依據(jù)壓力容器模型特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再結(jié)合制作商的要求進(jìn)行容器調(diào)節(jié)。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)的基本狀況，需要在整體設(shè)計(jì)與施工前對(duì)相關(guān)容器的特征進(jìn)行分析：(1)壓力容器表層可承受壓力最大值為15MPa，鋼板厚度應(yīng)在2～3mm之間，壓力容器幾何大小與上限參數(shù)的乘積應(yīng)≥30mm，材料日常應(yīng)用過(guò)程中的最大彎曲度為345MPa，彈性模量可表示為E=206GPa，容器生產(chǎn)與操控的泊松比值應(yīng)為μ=0.4[4]；(2)運(yùn)用有限元對(duì)鋼板參數(shù)的唯一結(jié)果進(jìn)行判斷，并要對(duì)應(yīng)分析滿足容器幾何大小(R1)與上限參數(shù)(H1)之間的關(guān)系，相應(yīng)給予評(píng)判與綜合探討。運(yùn)用有限元分析法對(duì)壓力容器部分的基本情況進(jìn)行評(píng)判和分析，首先是要明確壓力容器生產(chǎn)與控制的基本標(biāo)準(zhǔn)，按照要求分析壓力容器生產(chǎn)的基本條件。其次是做好壓力容器各個(gè)部分因素之間的關(guān)系定位，并相應(yīng)評(píng)估有限元的基本標(biāo)準(zhǔn)，最終確定變值最佳應(yīng)用條件。

2.2利用有限元構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

壓力容器設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)的過(guò)程，主要是按照壓力容器內(nèi)壁薄厚、容器大小等條件的設(shè)定，將容器壓力調(diào)控的比值調(diào)整到最大。結(jié)合以上關(guān)于壓力容器的基本情況，可將計(jì)算與分析的函數(shù)模型整合如下：V=4/3πR12(H1-R1)。為了確保壓力容器設(shè)計(jì)與計(jì)算在有限元分析時(shí)，可以將后續(xù)有限元計(jì)算值控制到最優(yōu)，一般按照壓力容器在1/4標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行生產(chǎn)操控，而此時(shí)為了保障基礎(chǔ)有限元設(shè)計(jì)結(jié)果，一般會(huì)選擇借助計(jì)算機(jī)公式求最小值，也就是我們所說(shuō)的，壓力容器可承載壓力的最低值。壓力容器設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，進(jìn)行壓力容器計(jì)算與分析期間，容器設(shè)計(jì)人員首先設(shè)定了一個(gè)原始函數(shù)目標(biāo)，又增加了一個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算指標(biāo)，兩者運(yùn)用有限元進(jìn)行分析時(shí)，可依據(jù)原有函數(shù)目標(biāo)對(duì)其做出正負(fù)判斷，最終即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)參數(shù)因素的對(duì)比，進(jìn)而確定壓力容器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)變化空間。比如，某工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)綜合操作過(guò)程中，為確保后續(xù)記錄數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)相互對(duì)應(yīng)。實(shí)際生產(chǎn)與操作期間，就在數(shù)據(jù)模型生產(chǎn)與操作部分，利用有限元對(duì)壓力容器可承載壓力的能力、以及壓力變量控制范圍等情況進(jìn)行分析，本次壓力容器評(píng)定的基本模型計(jì)算集合分為概括為V(A)=[RH]7。其中“V”表示壓力容器可承載值，“R”“H”分別表示模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果。對(duì)應(yīng)分析后，可得到壓力容器分析的標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)對(duì)應(yīng)分析“A”與“R”“H”之間的關(guān)系。當(dāng)H-R≥30時(shí)，表示壓力容器做功的基本狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，壓力容器數(shù)學(xué)建模分析的基本狀態(tài)達(dá)到了最佳。壓力容器借助有限元進(jìn)行記錄研究時(shí)，為避免壓力生產(chǎn)與操作管理效果與實(shí)際不相適應(yīng)的問(wèn)題出現(xiàn)，在有限元建模研究時(shí)，一方面是要對(duì)壓力容器建模指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，另一方面是要從建模生產(chǎn)與掌控的基本環(huán)節(jié)入手，這樣方可確保壓力容器利用有限元所構(gòu)建的模型達(dá)到協(xié)調(diào)的狀態(tài)。

2.3壓力容器有限元分析

有限元在壓力容器中的應(yīng)用，主要是依據(jù)壓力容器生產(chǎn)設(shè)計(jì)厚度、大小、以及節(jié)后協(xié)調(diào)程度等方面的指標(biāo)，進(jìn)行壓力容器生產(chǎn)因素設(shè)計(jì)。其一，壓力容器設(shè)計(jì)與運(yùn)作過(guò)程中，有限元可在局部未知數(shù)分析期間，對(duì)壓力容器正常運(yùn)行狀態(tài)之下的內(nèi)壁要求、壓力大小、對(duì)稱軸壓力承受能力要求等方面做出相應(yīng)判斷。其二，有限元對(duì)壓力容器進(jìn)行分析時(shí)，主要是在模擬軟件環(huán)境下，將壓力容器看作是一個(gè)球面圓柱結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行4等、或者8等分后，再局部進(jìn)行壓力容器實(shí)體的運(yùn)行探究，這一部分是從壓力容器的內(nèi)壁厚度要求層面入手把握。圖1為壓力容器在有限元中設(shè)定結(jié)構(gòu)圖，按照空間坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，分別設(shè)定X、Y、Z軸。X軸上的數(shù)據(jù)表示選擇單元部分的壓力容器大小的變化，Y表示壓力容器材料厚度部分的調(diào)整變化，而Z軸則表示壓力容器中內(nèi)側(cè)半徑和外側(cè)半徑之間的差值。如果壓力容器有限元分析后，各個(gè)坐標(biāo)軸上的壓力數(shù)據(jù)保持相對(duì)一致的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)壓力容器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)安排。反之，有限元計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)突出的部分表示存在著問(wèn)題，勘察人員需要與之對(duì)應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)中有限元進(jìn)行壓力容器調(diào)節(jié)期間，當(dāng)壓力容器的最大值位于變形量控制頂端時(shí)，表明壓力容器得到的技術(shù)分析值最優(yōu)，此時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算值為0.039mm。而壓力容器同方向上的壓力值在163.21MPa的狀態(tài)時(shí)，壓力容器的上方壓力承載能力最佳，當(dāng)Z軸上的應(yīng)力為141.07MPa時(shí)，壓力容器簡(jiǎn)桶壓力中心值最高，此時(shí)壓力值的大小調(diào)節(jié)時(shí)，就可以依據(jù)壓力容器控制的基本要領(lǐng)，實(shí)行材料藝術(shù)控制指標(biāo)的對(duì)應(yīng)安排與有序式調(diào)節(jié)。有限元技術(shù)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可確保結(jié)合壓力容器生產(chǎn)中的基本參數(shù)因素，實(shí)行各項(xiàng)分析條件的對(duì)應(yīng)掌控與最優(yōu)化把握。它不僅從壓力容器整體應(yīng)用視角上給予了相應(yīng)反饋，還為壓力容器中相關(guān)影響因素分析給予了精準(zhǔn)性標(biāo)準(zhǔn)。

2.4有限元后續(xù)優(yōu)化

有限元技術(shù)之所以在當(dāng)代壓力容器后續(xù)應(yīng)用過(guò)程中得到了有序運(yùn)用，一方面是運(yùn)用有限元對(duì)反應(yīng)容器中的相關(guān)條件給予了精準(zhǔn)性計(jì)算，一方面是借助有限元進(jìn)行壓力容器的相應(yīng)評(píng)估。在以上關(guān)于有限元應(yīng)用與壓力容器設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵點(diǎn)方面已經(jīng)給予了對(duì)應(yīng)分析，這里將不再進(jìn)行贅述。另一方面，有限元技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用，也實(shí)現(xiàn)了結(jié)合壓力容器的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中不夠協(xié)調(diào)的領(lǐng)域進(jìn)行了后續(xù)優(yōu)化調(diào)整的空間。其一，有限元技術(shù)在后續(xù)生產(chǎn)與操控過(guò)程中，先按照壓力容器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)行壓力容器內(nèi)測(cè)定參數(shù)值的定位，然后在可變動(dòng)數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，確定壓力容器的設(shè)計(jì)變化空間。如果前期設(shè)定參數(shù)與后續(xù)壓力容器之間的關(guān)聯(lián)不相適應(yīng)，說(shuō)明壓力容器參數(shù)在變動(dòng)范圍內(nèi)，可以相應(yīng)進(jìn)行變動(dòng)參數(shù)區(qū)間范圍之內(nèi)調(diào)整，從而在模式設(shè)計(jì)與控制變量范圍之內(nèi)，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)信息值的反饋和評(píng)估。而數(shù)據(jù)體積函數(shù)選定目標(biāo)區(qū)域后，內(nèi)部循環(huán)操控的具體結(jié)構(gòu)之內(nèi)，也始終保持著目標(biāo)函數(shù)可調(diào)節(jié)、可優(yōu)化的控制狀態(tài)。與傳統(tǒng)的一次性確定壓力容器控制方法相比，有限元函數(shù)操控領(lǐng)域的可控制性更強(qiáng)，生產(chǎn)運(yùn)用的安全保障效果也較高。其二，設(shè)計(jì)變量壓力調(diào)節(jié)與綜合控制過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量處于最大值、或最小值的狀態(tài)時(shí)，壓力容器的參照優(yōu)化與處理方式層面，依舊保持著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，壓力容器外部調(diào)控因素相互協(xié)調(diào)的狀態(tài)。比如，某壓力容器運(yùn)用有限元技術(shù)分析后，得到一個(gè)最優(yōu)控制值，最低控制值。運(yùn)用模擬程序進(jìn)行壓力容器操控分析過(guò)程中，技術(shù)人員可先將壓力容器數(shù)值控制到最小，內(nèi)壁控制數(shù)據(jù)結(jié)果達(dá)到最低。如果壓力容器水平、垂直方向的壓力強(qiáng)度能夠保持平衡，說(shuō)明此時(shí)壓力容器的控制效果可達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而壓力容器模擬測(cè)驗(yàn)時(shí)，其中相關(guān)數(shù)據(jù)不能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員可逐一按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)壓力容器的反應(yīng)情況進(jìn)行相應(yīng)性評(píng)價(jià)，直到壓力容器可承載的壓力結(jié)果達(dá)到最佳?；谟邢拊夹g(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)與分析過(guò)程，主要是借助壓力容器結(jié)構(gòu)體系，對(duì)容器在何種狀態(tài)之下壓力容器做功效果最佳進(jìn)行分析，它為壓力容器設(shè)計(jì)方案的調(diào)整提供了足夠的可變動(dòng)空間。同時(shí)，基于有限元技術(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中的運(yùn)用，也實(shí)現(xiàn)了結(jié)合壓力容器操作的基本需求，調(diào)節(jié)壓力容器靈活度的效果。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于有限元技術(shù)的壓力容器設(shè)計(jì)方法分析，是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手段應(yīng)用不斷更新的理論歸納。在此基礎(chǔ)上，本文通過(guò)壓力容器設(shè)計(jì)宏觀概括、利用有限元構(gòu)建數(shù)學(xué)模型、壓力容器有限元分析、有限元后續(xù)優(yōu)化等方面，探究壓力容器設(shè)計(jì)有限元分析方法。因此，文章研究結(jié)果，將為國(guó)內(nèi)壓力容器生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新提供新視角。

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作者：陶冶 趙軍明 陸征 單位：青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司