大型立式拱顶储罐结构应力分析与部件结构尺寸优化

摘要

随着储罐大型化与集中化的发展，储罐优化设计越来越受到化工类企业的重视。本文针对常见大型立式储罐，以储罐材料最省为目标，建立了储罐壳体外形尺寸的优化设计目标函数，利用MATLAB软件对模型进行求解计算，得到了最佳外形尺寸，计算了对应的尺寸（V-D-t）算图。同时利用优化值与国标图集推荐值对同一公称体积下储罐耗材量进行比较分析。比较分析后发现当V<2000m3时，优化值相比较推荐值储罐材料节省了7.64%；当V>2000m3时，储罐材料节省了13.82%。
　　利用建立的定体积下储罐最佳外形尺寸工程算图，结合标准SH/T3167完成了100-10000m3系列储罐的结构设计。并在三维建模软件SolidWorks中运用宏录制语言，录制并编辑完成了储罐拱顶与罐壁的参数化建模，完成了对应部件可视化窗口的设计。应用ANSYS Workbench有限元分析软件中的静力学分析模块，对储罐进行静力学有限元分析，并在储罐拱顶、承压环及罐壁上设置数据提取路径，提取并分析了设置路径位置的受力特征曲线。发现从拱顶和承压环的焊接位置处到距离拱顶中心0.8R处，拱顶快速发生变形并且变形量在0.8R处达到最大，而拱顶应力变化特征与此相反；承压环顶板应力值从顶板最前端开始就基本保持不变，直到与支撑板相互焊接的位置时应力才发生突变达到最大值；储罐总体罐壁变形趋势与罐壁应力分布趋势情况基本相同,都是由上到下逐渐增长，且都在最底层罐壁处达到最大，其中变形位移为5.78mm，最大应力为103.5MPa；在最底层罐壁处达到最小值，其值都趋于0。
　　利用储罐特征曲线规律结合强度判定理论对储罐主要部件强度进行判定，得出了储罐各主要部件(拱顶、承压环及罐壁)还可以进行优化的结论。再以储罐各部件质量最小为目标，建立了储罐主要部件壁厚尺寸的优化设计目标函数，利用ANSYS Workbench软件中的Response Surface Optimization(优化响应)模块对目标进行优化设计计算，得到了储罐各主要部件满足约束条件的最佳值。同时利用优化值与常规设计值对同一公称体积下储罐各主要部件耗材量进行了比较分析。分析发现优化后拱顶耗材平均节省了12.4%，承压环耗材平均节省了39.3%，罐壁耗材平均节省了9.8%。其中节省最明显的是承压环部分。

目录

1 绪论

1.1 研究目标与意义

1.2国内外研究现状

1.2国内外研究现状

1.3主要完成内容

2 储罐外形尺寸的优化及工程算图的制定

2.1 立式拱顶储罐耗材数学模型的建立及求解方法的确定

2.2 工程算图的制定

2.3 本章小结

3 基于外形最优的储罐构件设计

3.1 储罐设计标准

3.2 储罐样本基本外形尺寸的确定

3.3 样本储罐底板尺寸的设计

3.4 储罐罐壁，拱顶和承压环的设计

3.5 储罐总体设计参数

3.6 基于SolidWorks的储罐参数化建模

3.7 本章小结

4 基于ANSYS WorkBench的储罐受力特征分析

4.1 有限元分析的基本思想

4.2 储罐主要部件的有限元分析及特征曲线的绘制

4.3 有限元分析设置

4.4 模拟数据的提取及特征曲线的制定

4.5 结果分析讨论

4.6 本章小结

5 基于ANSYS Workbench的储罐关键部位的结构尺寸优化

5.1 强度理论与储罐强度评价方法

5.2 储罐优化数学模型的建立

5.3 基于ANSYS Workbench优化模块的储罐部件优化

5.4 优化结果分析与经济性讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

硕士在读期间发表论文情况：

致谢

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