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设计计算
基于有限元分析的大型高压釜优化设计
曲杰,江楠
(华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510641)
摘要:高压釜是压力精炼的核心部件,基于有限元分析结果对一压力精炼用大型、复杂高压釜进行
优化设计。首先以重量最小化为目标,建立高压釜优化设计的数学模型;然后应用前处理软件Hy
permesh和有限元软件 Abaqus建立高压釜的三维有限元模型;其次基于力学知识和高压釜结构及
承受载荷特点,构造优化算法,并应用构造的优化算法对高压蠡进行优化设计;最后依据JB4732
1995《钢制压力容器一一分析设计标准》中的应力限制对优化设计获得的高压釜进行安全评定。
评定结果表明设计的高压釜能够满足安全需要。
关键词:高压釜;有限元分析;优化设计;安全评定
中图分类号:T0052;TQ050.2文獻标识码:A文章编号:1001-4837(2009)06-0019-05
doi:10.3969/j.iss.1001-4837.2009.06.005
Optimization Design of Large High Pressure Vessel Based
on Finite Element Analysis
QU Jie, J LANG Nan
College of Mechanical and Automotive Engineering South China University of Technology, Guang
zhou 510641. China
Abstract: The high pressure vessel is the core component of pressure refining. The paper carries out opti
mization design of a large and complex high pressure vessel, based on the finite element analysis results
Firstly, the mathematica model is constructed by taking the weight minimization as the optimization ob-
jective; secondly, the 3-D finite element model of the vessel is built by the preproeessing software H
permesh and the commercial finite element software Abaqus; thirdly, based on the mechanics and the
characteristies of the vessel structure and the load, the iterative formula of the optimization algorithm is
given and is applied to the optimization design of the high pressure vessel; at last, the safety assessmen
of the optimized high pressure vessel is done according to B 4732-1995. The results show that the de-
signed pressure vessel can meet the safety requirement
Key words: high pressure vessel; finite element analysis; optimization design: safety assessment
高压釜是压力精炼的核心部件,也是压力精炼图1所示,釜体内径4.2m,总长32m。高压釜内沿
设备国产化的主要难点之一。某高压釜结构简图如纵向分隔为7个相互连通的工作室,室与室之间由
基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(10602018)
CPVT
基于有限元分析的大型高压釜优化设计
Vol26.No62009
砌砖隔开,每个工作室上部装有1台搅拌器,高压釜该高压釜结构复杂,承受内压、重力、矿浆压力及搅
由鞍式支座支撑,反应器上有搅拌口等共33个接管拌器引起的扭矩、弯矩、集中力等多种载荷的共同作
法兰,高压釜设计参数及搅拌器技术参数如表1,2用,按常规方法设计比较困难,目前有限元方法
所示。高压釜筒体、封头、腹板所用材料为16MnR,已经广泛应用于压力容器设计24。
支座及地脚螺栓材料分别为Q235-B和30 CRMOA。
管板接口
浆液出口搅拌口
泻放口浆液出口
s型支座入孔
F型支座氧气进回
图1高压釜结构示意
表1高压釜基本设计参数
应力强度许用极限Ln2=169.5MPa,一次加二次应
名称
参数
力的强度许用极限Pn=339MPa;螺栓材料
工作压力(MPa)
30 CRMOA的许用应力S。=143.5MPa?。
设计压力(MPa)
高压釜设计目标是在满足安全需要情况下,高
耐火砖重(kg
250000
压釜重量最小。图1所示高压釜主要由筒体、封头、
工作温度(℃)
腹板、支座及接管组成,在高压釜基本设计参数和悦
设计温度(℃)
筒体内径(mm
4200
拌器技术指标已经确定的情况下,能够改变的设计
矿浆比重
参数仅有筒体厚度h1、封头厚度2、腹板厚度h及
全容积(m2)
支座厚度h,因此选择h,h2,h2及h4作为设计变
液面高度(m
量,在忽略接管重量假设下,高压釜总重量可以表示
塘铅重(kg)
31490为
表2搅拌器技术指标
W=p1(357.832h1+56.788h2+9.132h
名称
参数
+p2
搅拌器单台重量(kg
4500
式中P1筒体、封头及腹板材料16MnR的密
搅拌器转速(转/min)
度,设为7.9t/m°;
操作功率(kW)
支座所用材料Q235-B密度,设为
轴向力(N)
3908
弯矩
13053
额定功率(kW
根据设计要求,搅拌器转速为83转/min,因此
扭矩
18410
高压瓮的固有频率应该偏离1.38Hz。
个数
因此高压釜优化设计目标为
求X=[h1,b2,ha3,ha](设计变量
高压釜优化设计数学模型的建立
使重量(X)→min(目标函数)
筒体、封头及腹板材料为16MnR,设计温度下
的许用应力Sa=161MPa6,一-次局部薄膜应力强
满足
度许用极限n=241.5MPa,-次加二次应力的强
度许用极限P1=483MPa);支座所用材料Q235
F≠1.38
B的许用应力为S。2=113MPa?,一-次局部薄膜
X、