压力容器是化工、电力及交通等行业和部门中应用最为普遍的设备，由于工艺和结构上的需求，需要在压力容器筒体或者封头处开孔接管，由此破坏整体结构的连续性，削弱容器的整体强度。容器在运行过程中，不断出现的一些接管破坏导致容器失效的事故，引起研究人员的广泛重视[1，2]。

压力容器在内压的影响下会出现变形情况，协调变形中会出现边缘应力[3]。开孔边缘形成复杂的应力状态，这往往是压力容器强度破坏的根源[4]。选择合理的设计方法进行设计是满足其安全、经济等基本要求的关键。传统的设计方法[5]中为保证压力容器的正常运行，设计时经常增大壁厚，以满足容器的承压要求，设计制造出来的压力容器显得笨重且设计方法偏保守[6]。笔者主要采用有限元法，对压力容器开孔接管区域的应力进行分析与评定，并进行结构优化设计。

1 几何建模与约束边界

压力容器开孔接管处结构是对称的，因此可将模型简化为轴对称问题，取开孔接管的1/2进行建模[7]，筒体长度和接管外伸长度应远大于各自的边缘应力衰减长度[8]。模拟中采用补强圈补强式接管，圆筒内径Di=2000mm，筒体壁厚T=30mm，筒体长度L=2000mm，接管内径di=500mm，接管壁厚t=14mm，接管长度600mm，补强圈外径d补=1000mm，补强圈厚度h=25mm，筒体与接管的材料均为16MnR，设计温度T=22℃，弹性模量E=200GPa，泊松比ν=0.3，[σ]=250MPa。

网格划分时采用映射剖分技术控制网格密度，靠近相贯线区域网格的密度较大。对称面施加对称约束，接管端部施加轴向位移约束，为防止整个结构发生轴向位移，在筒体端面施加轴向位移约束即沿轴向的位移为零[9，10]。

对于回转壳体，压力容器承受的载荷是沿容器壁面对称分布的，因此忽略液体静压力的影响，仅考虑受均匀内压的影响，将轴向内压载荷折算为作用在筒体和接管自由端面上的均布拉伸载荷，筒体端面施加轴向平衡面等效载荷pc，接管端部施加纵向平衡面等效载荷pN，图1为有限元模型的载荷和边界条件图。

式中 Di ——压力容器筒体的内径，mm；

 

(1)

 

(2)

载荷的计算公式如下[11]：

di ——压力容器接管的内径，mm；

t ——压力容器接管的厚度，mm。

T ——压力容器筒体的壁厚，mm；

“您看，即便曾参富有贤德，母亲对他深信不疑，当有三个人怀疑他时，母亲依然会信以为真。而我的贤能比不上曾参，大王对我也不如曾参的母亲对曾参那样信任，可是怀疑我的绝非只有三个人。我唯恐大王也像‘曾母投杼’一样怀疑我呀。

p——设计压力(内压)，MPa；

gi——状态变量；

  

图1 有限元模型的载荷和边界条件

2 有限元数值分析

当压力容器筒体承受内压p=2.50MPa时，根据式(1)、(2)计算可以得出pc=41.05MPa，pN=21.71MPa，筒体不连续区域的应力云图如图2所示，局部放大图如图3所示。

  

图2 应力分布云图

  

图3 应力局部放大图

由图2得：筒体承受压力时，筒体与接管连接的不连续区域产生应力集中现象；应力在开孔接管区域分布不均匀，而远离开孔接管区域结构是连续的，应力分布比较均匀；应力最大值σmax=176.82MPa，σmax<[σ]，故容器的强度满足要求；应力集中系数K=σmax/σmin=2.13，是容器失效的危险区域。由图3可得，应力梯度变化明显，应力最大部位发生在压力容器筒体与接管连接内表面的左右两侧且呈对称分布，接管与筒体的相贯线区域应力梯度变化较大。因此，压力容器开孔接管区域易于发生强度破坏。

3 优化设计

产品的优化设计是产品投入使用的一个重要环节，不仅能提供性价比高的优化方案而且能提高经济效益降低生产成本。ANSYS软件提供了Design Explorer板块来实现产品的优化设计，现代CAE技术把优化设计普遍运用到了更大的工程范围[12，13]。笔者主要探究压力容器的优化设计，在保证压力容器正常运行的工况下，研究输入变量对压力容器强度的影响，寻求最优解。

3.1 响应分析

第2节对补强圈补强结构式不连续区域的应力进行强度评定，发现p=2.5MPa时，最大应力远小于许用值，容器各尺寸具有较大的优化空间。基于模型前期处理完成后进行曲面响应分析，设计变量分别为容器筒体厚度、筒体长度、筒体内径、补强圈厚度、补强圈半径、接管厚度、接管内径和内压，输出变量为最大等效应力和质量，优化设计的数学模型可表示为：

 

式中 F(X)——设计变量的目标；

政策五：6月11日，农业农村部组织制定了《畜禽养殖标准化示范创建活动工作方案（2018－2025年）》，提出在2018－2025年，以生猪、奶牛、蛋鸡、肉鸡、肉牛和肉羊规模养殖场为重点，兼顾其他特色畜禽规模养殖场，每年要创建100个左右现代化的畜禽养殖标准化示范场，共创建1000个。示范场要达到以下要求：生产高效、环境友好、产品安全、管理先进。

响应分析时，设定参数的取值范围，分析可得到各参数组合对最大应力的影响关系和各参数之间的应力响应图(图4)，不同参数组合对应力的影响程度不同，导致响应曲面起伏程度不同。图5为各个变量的灵敏度分析图。

X——设计变量。

根据设定的目标和等级重要性要求，系统会自动生成3个候选点，软件自动评价输入的组合参数，参考软件的评价结果，在3组候选点中选择候选点1作为最优设计点。将表3中候选点1(DP0)方案作为最优设计点插入，优化前后输入输出变量结果见表4。

 

表1 优化参数取值范围

  

参数初始值变化范围筒体厚度T/mm3027～33筒体压力p/MPa2.502.25～2.75筒体直径Do/mm20602000～2120补强圈外径d补/mm1000900～1100补强圈厚度t补/mm2522～28筒体长度L/mm20001800～2200接管厚度t/mm1412～16

出租车来到一个街口，蒋大伟问：告诉我，往哪走？郑馨还在抵抗：我不知道！蒋大伟不耐烦地：咱不是说好了吗？要了钱就去兰江大桥。郑馨道：我说过，他不会给你钱的。蒋大伟不信她：那可不一定，他现在傍上了富姐，有的是钱，还在乎那一点？郑馨说：有钱的人没良心，你去了也白搭！蒋大伟说：凭什么呀？你曾经是他的恋人，他就得替你买单！郑馨一哼：我就是告诉你他在哪儿，你也找不到他。蒋大伟自信地：你这话说错了，这几年我开出租，哪没去过？他就是在老鼠洞里，我也能把车开进去！郑馨说：他呆的地你就开不进去。蒋大伟：胡说！你说出来试试？郑馨道：他在十八层地狱里！

  

图4 各参数应力响应图

  

图5 各变量的灵敏度直方图

分析图5得：灵敏度分析能有效地反映各参数与最大应力之间的关系，其中筒体直径、内压、接管厚度与最大应力呈正相关，筒体壁厚、补强圈厚、筒体长度、补强圈外径与最大应力呈负相关；筒体直径对最大应力影响效果最显著，即筒体的直径越大最大应力随之增大，筒体厚度和补强圈厚度两者对最大应力影响程度基本相同，即筒体厚度和补强圈厚度增加最大应力随之减小；各参数对容器质量的影响各有差异，容器直径、筒体厚度、接管厚度、筒体长度、补强圈厚度和补强圈外径敏感系数均为正与容器的质量呈正相关，压力的敏感系数为负与容器质量呈负相关；其中筒体长度对质量影响最为显著，即随着筒体长度增大容器的质量增加。

3.2 目标驱动化

目标驱动优化(Goal Driven Optimization，GDO)是一种目标优化技术，计算机分析给定的样本点，以计算得到最佳设计点。本节进行目标驱动优化时设置迭代次数为20次，变量的波动范围为10%。在保证压力容器正常运行的工况下，降低生产成本提高效益是优化设计的主要目标，目标驱动优化时对于目标函数优先级进行设置见表2。

旅游危机事件网络舆情预警流程包括主题规划、信息收集、信息分析、信息预警和危机处理，而危机处理又涵盖了舆情采集、监测、预控和发布等机制[17]。危机预警是危机管理的第一步，也是其关键所在。网络舆情预警机制的建立是一项系统工程，需要通过树立预警观念、建立预警体系和构建预警系统来保障旅游危机事件网络舆情预警机制的有效运行[18]。

 

表2 目标参数响应的重要性等级

  

项目T/mmp/MPaDo/mmd补/mmt补/mmL/mmt/mm容器质量/kg最大应力/MPa目标无目标无目标无目标无目标无目标无目标无目标最小无目标重要性默认默认默认默认默认默认默认高优先级低优先级

各参数优化取值范围见表1。

微电影(Micro film)，即微型电影。微电影是指其播放时间超短(30秒—300秒)、制作周期超短(1-7)天或数周，规模投资超少(几千——数千万元每部)的具有完整故事情节的视屏(“类”电影)短片。

 

表3 候选点组合参数的评价结果

  

名称Do/mmT/mmt/mmL/mmd补/mmt补/mmp/MPa容器质量最大应力参数值/t差异评估/%参数值/MPa差异评估/%候选点1200327.15012.101810905.0022.1502.26252.5016-12.47210.82-11.09候选点2206329.02513.581842994.8027.6052.64712.8431-0.25210.83-11.28候选点3209927.33814.471938970.3124.9272.38082.85790.00237.130.00

 

表4 优化前后结果对比

  

项目Do/mmT/mmt/mmL/mmd补/mmt补/mmp/MPa容器质量/t最大应力/MPa优化前206030.0014.02000100025.002.50003.154694176.8217优化后200327.1512.1181090522.152.26252.501621205.2168

由表4可得，优化后，容器的最大应力明显增加，最大应力增加16.06%，最大应力尚未达到容器的屈服强度，故可以判断该优化方案是可行的；进行优化之后，容器的质量由3.154 694t降到了2.501 621t，且容器强度满足要求，质量前后降低20.7%，节省材料降低制造成本，优化效果明显。

4 结论

4.1 分析压力容器应力分布规律，其最大应力始终发生在筒体与接管区域的内表面且呈对称分布，筒体与接管区域是容易发生强度失效的危险区域。

为了使计算机能有效地控制这些硬件设备，采用PXI系列高速采集驱动控制器为其他硬件提供控制信号，利用采集卡上的硬件资源进行参数配置和通道选择，控制多通道同步采集卡采集每只晶体管在辐照期间的电参数，通过通信接口控制电源电压的回读和自动调节，实现数据传输与控制命令交互，最后利用系统后期处理模块进行采集数据的处理、数据存储、波形显示等。

4.2 利用ANSYS对压力容器不连续区域结构尺寸进行优化，得到最优解，显著降低容器的制造成本，克服传统理论设计方法中的不足，节省了材料，为压力容器设计提供参考价值。

参 考 文 献

[1] 薛明德.国外关于圆柱壳开孔接管问题的研究概况[J].压力容器，1991，8(2)：4～9.

[2] 王志文.接管高应变区的二维模拟及失效评定曲线研究[J].压力容器，1996，13(4)：21～25.

[3] 杜四宏，刘海洪.压力容器开孔接管区的有限元分析[J].中国化工装备，2010，(1)：20～22，26.

[4] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2005.

[5] 范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计[M].北京：原子能出版社，1979.

[6] John F哈维.压力容器部件结构设计与材料[M].北京：化学工业出版社，1985.

[7] 王勇，甄勇，高勇.基于ANSYS Workbench的压力容器开孔接管区的应力分析[J].广东化工，2012，39(10)：180～181.

[8] GB 150-1998，钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，1998.

[9] 秦富友，杜四宏.压力容器开孔接管区的应力强度评定[J].化工技术与开发，2011，40(7)：52～54.

[10] 杜四宏，张妍，刘海洪，等.压力容器开孔接管区的有限元分析[J].石油与化工设备，2010，11(4)：25～27.

[11] 陈洪军，王呼佳.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[12] 杨奎.梁加宽式液压支架的虚拟仿真设计[D].兰州：兰州理工大学，2009.

[13] 杜平安.有限元网格划分的基本原则[J].机械设计与制造，2000，(1)：34～36.

斑马鱼行为分析仪捕获的数据先用系统自带的分析软件进行分析 （Ethovision 10.0 software ，Noldus Information Technology），数据的获取均使用 10分钟作为时间间隔。生成的数据表示为平均值±标准误。再使用Matlab软件采用非线性最小二乘最小化方法（nonlinear least-squares minimization method）分析其节律周期和振幅。