可靠性方法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用分析

吳新穎 鄭嬌麗 昌敬源

摘 要：在壓力容器的設(shè)計中，有效運用可靠性方法，能夠優(yōu)化設(shè)計方案的合理性。基于此，本文從可靠性設(shè)計、設(shè)計方法評估這兩個方面詳細(xì)闡述了可靠性方法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對壓力容器設(shè)計措施的深入分析，希望能夠為壓力容器生產(chǎn)水平的發(fā)展提供助力。

關(guān)鍵詞：壓力容器;算例模型;設(shè)計參數(shù)

1 分析目的

就目前來看，化工、石油、航天等領(lǐng)域都需要應(yīng)用承壓設(shè)備，而壓力容器作為承壓設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部設(shè)計的合理性和科學(xué)性，直接影響著各領(lǐng)域的生產(chǎn)水平，因此，工作者需要做好壓力容器的設(shè)計工作，以滿足各領(lǐng)域的運作發(fā)展需求。在此過程中，可靠性方法是現(xiàn)階段衡量設(shè)計方案可靠性的重要分析方法，設(shè)計者通過將可靠性方法應(yīng)用到壓力容器的設(shè)計中，有助于尋求出更加優(yōu)質(zhì)的設(shè)計方法，并驗證各類設(shè)計方案的合理性，確保壓力容器可以滿足實際使用需求。為此，研究者需要針對可靠性方法在壓力容器中的應(yīng)用開展分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，協(xié)調(diào)可靠性方法的應(yīng)用措施，充分發(fā)揮其在概率分析上的效用，同時，有效運用可靠性方法在處理復(fù)雜資料、數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢，深入優(yōu)化設(shè)計工作的準(zhǔn)確性和效率，促進(jìn)各領(lǐng)域生產(chǎn)水平的可持續(xù)優(yōu)化。

2 分析過程

2.1 在可靠性設(shè)計中的應(yīng)用分析

2.1.1 基本流程設(shè)計

可靠性設(shè)計是指針對產(chǎn)品可靠性開展的預(yù)計、分配、技術(shù)設(shè)計等工作，因此，在壓力容器設(shè)計中，可靠性設(shè)計主要是對壓力容器可靠度的設(shè)計。在此過程中，工作者需要采用可靠性方法，來進(jìn)行概率分析，以獲得壓力容器各部分的可靠度預(yù)計效果，為容器設(shè)計方案的初步制定提供依據(jù)。為此，工作者可以借助采用有限元概率設(shè)計的方式，基于可靠性方法，進(jìn)行壓力容器產(chǎn)品的可靠度設(shè)計。該設(shè)計流程主要包含創(chuàng)建分析文件、初始化概率設(shè)計分析及參數(shù)、制定分析文件、定義概率設(shè)計模型、選擇設(shè)計方法及工具、啟動設(shè)計分析、擬合使用響應(yīng)曲面、設(shè)計結(jié)果處理。待該流程執(zhí)行完畢后，工作者即可按照最后得出的可靠度設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行壓力容器的細(xì)部設(shè)計，以保障設(shè)計方案效果得以順利達(dá)到預(yù)期。

2.1.2 設(shè)計參數(shù)構(gòu)建

在可靠性方法的視域下，設(shè)計參數(shù)主要包含輸入和輸出兩種，其中輸入?yún)?shù)，如材料參數(shù)、幾何參數(shù)等，通常被考慮為具備一定分形式的隨機變量，以便于得出輸入?yún)?shù)為輸出參數(shù)所帶來的影響，因此，在同一概率設(shè)計模型中，工作者可以將一個或多個輸入?yún)?shù)看成隨機變量，并且這些隨機變量之間，可以具備一定的相關(guān)性，也可以完全獨立，但如果情況不同，那么輸出參數(shù)肯定會受到不同的影響，由此可見，只要工作者能夠設(shè)置一個正確的輸入變量分布形式，那么此時得出的輸出變量分布，即可被認(rèn)定為可信賴的。而這種基于可靠性方法構(gòu)建的設(shè)計參數(shù)，相較于常規(guī)模式下，僅依賴于安全系數(shù)說明的設(shè)計參數(shù)，顯然更加準(zhǔn)確。

2.1.3 取樣

在可靠性方法的應(yīng)用中，每次對設(shè)計方案的驗證都需要使用不同的輸入變量組合，然后最終得出相應(yīng)的輸出變量。因此，在實際取樣操作中，工作者通常會采用響應(yīng)面法、隨機模擬法兩種取樣方式。其中響應(yīng)面法主要用于并行計算，借助該方法所獲得的采樣點，能夠預(yù)先定義與精準(zhǔn)控制響應(yīng)數(shù)值的近似度以及擬合系數(shù)表示的近似函數(shù)，并且支持用自定義取樣形式，同時，所需循環(huán)次數(shù)也比隨機模擬法要少。在隨機模擬法中，系統(tǒng)需要先將隨機變量代入到功能函數(shù)中，然后得出一個函數(shù)值，如果該函數(shù)值≤0，則系統(tǒng)就會記錄一次失敗實現(xiàn)，若該函數(shù)值≥0，就不計入，并認(rèn)定計算完成一次，并產(chǎn)生下一個隨機數(shù)，重復(fù)上述計算過程，直到完成設(shè)定的試驗次數(shù)，此時，失效概率可以表示為代數(shù)：

其中g(shù)（x）為功能函數(shù)、n為既定計算次數(shù)、k為此次計算次數(shù)位置。在可靠性方法應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)這種方法的得出的結(jié)構(gòu)可靠度具有較高的精度，能夠更好地發(fā)揮可靠方法的優(yōu)勢，因此，現(xiàn)階段隨機模擬法已經(jīng)成為了一種較為廣泛的可靠度計算方法。

2.2 在設(shè)計方法評估中的應(yīng)用分析

2.2.1 算例模型

在設(shè)計方法上，工作者利用可靠性方法，可以衡量各類設(shè)計方法的可靠度，以選擇合理的設(shè)計方法，來進(jìn)行壓力容器設(shè)計，以保障設(shè)計方案的合理性與科學(xué)性。為此，研究者為了實現(xiàn)對可靠性方法應(yīng)用的深入分析，采用了現(xiàn)階段常用的三種確定性設(shè)計方法，即應(yīng)力分類法、彈性下限極限法、極限荷載分析法分別進(jìn)行了壓力容器設(shè)計，然后基于這三種設(shè)計方法所得出的設(shè)計方案，進(jìn)行了可靠度分析，具體分析了可靠度方法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用。在此過程中，研究者需要在進(jìn)行確定性設(shè)計之前，建立算例模型，為后續(xù)的設(shè)計環(huán)節(jié)提供依據(jù)。在算例模型構(gòu)建中，研究者利用了軸對稱的建模方式，構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)相對簡單的球形容器，并設(shè)此次設(shè)計的壓力容器內(nèi)徑Ri為50mm、壁厚t為10mm，然后截取了容器的1/4進(jìn)行建模，設(shè)其中的楊氏模量E為212000MPa、屈服強度Sy為344.75MPa、泊松比V為0.3。之后，研究者向其表面均勻施加了10MPa的壓力，對模型兩端節(jié)點設(shè)置了對稱約束，并采用軸對稱的方式，來構(gòu)建算例模型，同時，不考慮溫度因素，僅考慮塑性垮塌時效模式，然后將許用應(yīng)力，設(shè)置為2/3的材料屈服強度[1]。

2.2.2 確定性設(shè)計

在此次研究中，研究者采用了應(yīng)力分類法、彈性下限極限法、極限荷載分析法，這三種方法的計算結(jié)果如表1。在此過程中，研究者均采用了1.5的安全系數(shù)，并通過上述方法得出了該球形容器需用荷載，分別為84.48MPa、76.64MPa、83.625MPa。

2.2.3 設(shè)計方法可靠性評估

在可靠性評估中，研究者需要建立一個可靠性方法模型，然后向模型中輸入屈服強度、幾何尺寸、楊氏模量等材料參數(shù)，以及特征值和變量分布函數(shù)。在此過程中，只考慮三種方法所對應(yīng)的輸入變量之間不存在關(guān)聯(lián)，且相互獨立，因此，在實際操作中，研究者需要將輸入變量關(guān)系系數(shù)設(shè)置為0。此外，在此次評估中，研究者均采用了隨機變量模擬法，并使用上述這三種方法，進(jìn)行了500次的設(shè)計驗證，最后得出了評估比較結(jié)果，如表2。

3 結(jié)果分析

根據(jù)上述評估結(jié)果，可以直觀地看出，AME方法最優(yōu)，其次為LIMIT，最后為DBA-L。在此過程中，研究者發(fā)現(xiàn)，LIMIT的許用荷載方差最小，ASME計算結(jié)果方差最大，同時，LIMT與ASME的計算值偏差均為負(fù)值，由此可以看出其保守效果較低，而DBA-LD的偏差值為正，說明其具備較好的保守性。之后，研究者采用了敏感度分析法，來驗證可靠性方法評估結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通過可靠性方法得出的評估結(jié)果比較準(zhǔn)確[2]。

4 結(jié)論

綜上所述，基于可靠性方法的壓力容器設(shè)計，能夠增強設(shè)計方案的可靠性。經(jīng)過上述分析可知，可靠性方法無論是在可靠度設(shè)計，還是具體的壓力容器參數(shù)設(shè)計中，都呈現(xiàn)出了比較優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用效果，因此，工作者將該方法用于壓力容器的設(shè)計者中，能夠促進(jìn)設(shè)計工作的優(yōu)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧財寶.可靠性方法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代鹽化工，2020，47（03）：55-56.

[2]孫小虎.可靠性方法在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（15）：64.