1、问题描述

某大型钢铁企业有一台直径为φ700的立式储罐，设计压力为13.5MPa,设计温度为200℃，工作压力为12.3MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。其他基本设计参数如表1所示，高压储罐结构图如图1（a）所示,高压储罐上半部分的结构尺寸如图1（b）所示,现要求运用有限元法对该高压储罐进行应力仿真分析和结构优化。

高压储罐的基本结构示意图如图1所示：

2、高压储罐的仿真分析

2.1几何模型的建立

由于高压储罐结构的对称性，且储罐内压强处处相等，在仿真分析过程中，取储罐上半部分进行有限元分析，储罐上半部分结构如图1（b）所示，将其进行简化为有限元几何模型如图1（c）所示。通过有限元软件自下而上建立的分析模型如图2（a），采用8节点solid 183单元,使用三边形和四边形相结合的网格映射法进行网格划分，为了得到较为精确地计算结果，在结构不连续区网格划分较密集，获得如图2（b）所示的网格模型，网格划分完毕后，共获得4734个节点、1445个单元。

图2 有限元分析模型图

2.2约束和载荷的施加

结合该高压储罐的工作介质及承载特性，仅考虑罐体所受的內压（忽略其自重的影响）。根据模型的结构特点和受力情况，以模型的下端线为边界，在下端线上施加X=0、Y=0、Z=0的全约束边界条件（如图3（a）所示），在模型筒体、封头及接管的内侧施加內压P=13.5MPa的载荷（如图3（b）所示）。

图3 载荷与约束示意图

2.3分析结果及应力分布

　　该储罐的设计压力为13.5MPa（10MPa

图4 求解结果示意图

3、高压储罐的强度校核

3.1储罐的强度校核

对设计载荷作用下的高压储罐进行有限元仿真分析，并对分析结果进行应力强度评定，根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》，对结构不连续区及高应力区进行评定，通过应力线性化沿壁厚方向设定路径（如图5-1、5-3），分别计算路径设定处X方向、Y方向应力和Mises屈服应力（如图5-2、5-4）。由结构不连续区设定的路径A-A处可得知，Mises屈服应力由内到外沿壁厚逐渐递减，X方向的应力强度沿壁厚先增加后减小，Y方向上的应力强度值沿壁厚逐渐递增，由图4（a）结构变形图看出，该路径上应力强度的变化值与有限元模型的结构变形图相吻合。由设定的路径D-D可知，在內压作用下，应力强度Mises屈服应力、X和Y方向上的应力强度沿壁厚逐渐递减，即储罐内壁压力沿壁厚递减。

图5 应力强度线性分布图

根据JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》中规定：一次总体薄膜应力强度Pm应该不超过设计许用应力强度值Sm，即Pm≤Sm；一次局部薄膜应力强度许用极限PL为1.5Sm，即PL≤1.5Sm；一次局部薄膜应力加一次弯曲应力的应力强度PL+Pb极限为1.5Sm，即PL+Pb≤1.5Sm；一次局部薄膜应力加一次弯曲应力及二次应力的应力强度PL+Pb+Q的许用极限为3Sm，即PL+Pb+Q≤3Sm。参照标准得知该高压储罐的应力强度Sm =170MPa，最大应力点强度校核如表2所示，由表2可知强度校核评定结果均合格,即在设计压力13.5MPa下，接管与封头结构不连续处可进一步进行切削圆滑过度，储罐筒体壁厚可以减薄10%。

4、结论

应用有限元仿真分析法对高压储罐进行结构优化，在保证容器运行安全的情况下，可以适当的降低筒体的厚度，优化结果明显，可以降低整个罐体的自重，有很好的经济效益；在罐体结构不连续区可以进行适当的切削过度，可以很好地避免局部区域应力集中，降低了高压储罐的安全风险。这样便满足了结构自重轻量化和技术指标的目标，进而很大程度上减少了设计及制造成本，使产品设计更为合理。