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摘 要：某某公司超高压耐高温反应釜的承压筒体为自增强厚壁圆筒。本文通过有限元软件ANSYS 对此产品进行优化分析，设计一种可适用于各种化工设备反应釜具，希望为化工设备反应釜备中其它设备的限位装置的研究设计提供参考，同时也为其它装置的结构设计提供一个范例。本文首先概述了超高压耐高温反应釜的结构，分析了超高压耐高温反应釜的应力状况，最后进行了基于ANSYS化工设备反应釜的有限元分析，取得很好的应用效果。
关键词：ANSYS软件 化工设备 反应釜 有限元分析
近年来，随着我国化工工业的迅速发展，反应釜获得愈来愈广泛的应用。超高压耐高温反应釜是反应釜的一个延伸部分，将为我国石油化工的研究等方面发挥作用。不过超高压耐高温反应釜的操作随工艺过程而异，情况比较复杂，它不仅承受高压，而且具有高温和低温，同时还往往伴有介质。所以对高压容器的设计、制造与检验应十分重视。另外由于压力反应釜大型化的发展趋势，反应釜的直径、壁厚、重量越来越大。反应釜的使用条件日益苛刻。因此在设计高压反应釜时，必须从操作条件出发，对安全、选材、制造、检验等各方面进行全面综合的比较和分析，以期作出一个操作安全、技术先进、经济合理的设计。同时本文采用基于有限元分析软件ANSYS，借助于软件进行作业是高效而可行的方法，利用现有的理论和技术条件对原有的超高压耐高温反应釜进行改进，为此为反应釜的优化设计提供参考。现报告如下。
一、超高压耐高温反应釜的结构
由于工艺条件和介质的不同，反应釜的材料选择及结构也不尽相同，但基本组成是相同的；反应釜主要由釜体与釜盖两大部件组成：釜体用高强度的合金钢板或复合钢板卷制而成，其内侧一般衬以能承受介质腐蚀的材料，在内衬与釜体之间填充铅锑合金，以使导热和受力；釜盖为平板或凸形封头，它也由高强度的合金钢或复合钢板制成，釜盖上装有进气口、加料口、测压口、安全防爆口等不同口径的接管。釜体与釜盖之间装有密封垫片，通过主螺栓及主螺母使其密封成一体。除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和传热装置、工艺接管等。具体见图1-1。
在设备的结构上设置必要的传热和搅拌装置是为了保证反应能均匀而较快地进行，反应温度控制得比较均匀，以提高效率。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。
二、超高压耐高温反应釜的应力分析
随着国家石油工业化的加快发展，反应釜的需求量越来越大，特别是大型反应釜设备的需求量也越来越多。特别是产品多样化及其需求量的不断加大，为快速响应市场的需求，设备需要不断更替。某某公司的超高压耐高温反应釜承压筒体，是一经过自增强处理的圆柱形筒体，工作时内壁承受液体的高压作用。由于液体轴向压力由堵头直接传递到框架，所以筒体不承受轴向拉伸作用 z0。在图2-1，r i为内半径，r o为外半径的厚壁圆筒，p i为承受的内压值。在分析的过程中，由于对称性，径向应力r、周向应力t 均为r 的函数，即r r、t r。
此类轴对称的空间问题以及各种平面问题一般采用圆柱坐标系统分析，厚壁圆筒在内壁承受液体的内压时会随着半径产生均匀膨胀。通过Matlab 将内径为0.065mm，外径为0.145mm 的厚壁圆筒在工作载荷为
195MPa 绘制出来。图2-2为厚壁圆筒径向应力与轴向应力沿壁厚的变化，其中径向应力r 为压应力，且在内壁处应力的绝对值最大。周向应力t 的符号始终为正，在内壁处为最大值。
三、ANSYS有限元分析
1.有限元技术的含义
有限元技术是借助于强大的数学工具和计算机技术的普及与发展应孕而生的，其属于力学分析中的数值法。它是把一个连续的介质看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达。
2.有限元软件的发展趋势
未来地有限元软件的发展将具有以下特点：向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发展，进一步加强前处理的可视化能力和后处理数据输出功能，以便减少使用者花费在数据准备和结果处理上的时间。加强与设计制造过程的集成和数据转换，向与CAD /CAM无缝化集成的方向发展。即在CAD软件上完成产品的造型设计，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行设计和造型。在有限元分析功能不断完善的基础上，向与优化设计、可靠性分析和其它综合评估功能结合的方向发展。进一步提高非线性问题的求解能力，材料科学的不断发展，研究出了很多性质特殊的新材料，现有的非线性求解器需要进一步完善其功能。由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。
3.ANSYS有限元分析软件
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由于机械产品的设计、制造和试验有以下的特点：在实际中，多数机械产品及其零件都是根据现有同类产品及零件进行改进或近似性设计，其性能可参考现有产品和零件的性能得出；一些机械产品的样机试验相对成本较低，而且比计算机模拟试验更靠；一般的机械产品批量比较大，可以在运行过程中不断改进并积累经验。 四、基于ANSYS的超高压耐高温反应釜有限元优化分析
1.ANSYS的优化分析模块
ANSYS优化设计模块其实就是优化设计方法计算机程序化，在ANSYS中可以通过GUI和APDL两种方式来进行操作，通过这两种渠道都可以简便的完成ANSYS的基本分析三大块：前处理、计算器、后处理。如此就生成优化问题的分析文件，但是之前应该将优化问题转化为数学函数，这样进入优化模块可以很迅速的定义好设计变量、状态变量和优化目标函数，见图4-1。ANSYS程序优化模块的每种方法都是一系列的分析-评估-修正的循环过程，即对初始设计变量进行分析，对每次的分析结果就收敛性进行评估，然后修改设计，这一循环过程重复进行直至所有的设计都要求都满足为止。
2.优化方案
在优化方案中，首先通过函数逼近法对问题进行优化找到最优解的基本位置，然后通过梯度寻优法，此时的设计变量的范围有所缩小，如此对最优解的位置进行更精确的确定。对两种优化方法设定优化迭代次数均为20次，见图4-2与图4-3。
3.高压筒体的ANSYS分析
筒体是设备的主要承载部件，工作时内孔承受液体的高压作用。由于液体轴向压力由堵头直接传递到框架，所以筒体不承受轴向拉伸作用。我们选择的超高压耐高温反应釜筒体承压部分内径为130mm，外径为290mm，试验压力245MPa、设计压力为195MPa。筒体使用材料SA-723M Gr.2，2a，并按ASME 要求取理想弹塑性材料模型。故分析采用Mises 屈服函数、双线性随动材料模型（BKIN），各特性参数取：弹性模量E=1.91×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服极限Sy=895MPa，切线模量Et=0，见图4-4。
经过测试，实际工作循环次数n=30000 次，按ASME 要求，积累使用系数U=n/N=0.73<1，高压筒体符合要求。
总之，基于ANSYS化工设备反应釜的有限元更加的接近实际工作环境，测试数据更加的准确，值得推广应用。
参考文献：
[1] 林玉娟，董秋霞，贾晶晶.厚壁管的自增强损伤残余应力计算模型[J].北京：科学技术与工程，2009，9（24）：7306-7309.
[2] 刘长海，唐立强.基于超高压耐高温反应釜损伤自增强的应力分析[J].压力容器，2005（5）：20-25.
[3] 周建兴.MATLAB 从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2008：112-113.
[4] 梁基照.压力容器优化设计[M].北京：机械工业出版社，2010：56-57.
[5] 桂树国.基于ANSYS 参数化设计语言APDL 的产品结构优化设计[J].大连：组合机床与自动化加工技术，2010（7）：91-97.
[6] 刘洁，张和平.基于ANSYS 参数化语言机械结构优化设计[J].沈阳：沈阳化工学院学报，2004（3）：204-209.
[7] 刘继芳.偏载和低温条件下复合应力吸收夹层对应力强度因子的影响[J].济南：山东交通学院学报，2011，12（4）：28-31.
[8] 刘长佑.基于ANSYS 参数化语言在机械机构中的优化[J].宿州：宿州教育学院学报，2006，10（5）：112-114.
作者简介：焦慧娟，女，1987年出生，山东菏泽人，汉族，硕士研究生，研究方向：化工机械.
关键词：ANSYS软件 化工设备 反应釜 有限元分析
近年来，随着我国化工工业的迅速发展，反应釜获得愈来愈广泛的应用。超高压耐高温反应釜是反应釜的一个延伸部分，将为我国石油化工的研究等方面发挥作用。不过超高压耐高温反应釜的操作随工艺过程而异，情况比较复杂，它不仅承受高压，而且具有高温和低温，同时还往往伴有介质。所以对高压容器的设计、制造与检验应十分重视。另外由于压力反应釜大型化的发展趋势，反应釜的直径、壁厚、重量越来越大。反应釜的使用条件日益苛刻。因此在设计高压反应釜时，必须从操作条件出发，对安全、选材、制造、检验等各方面进行全面综合的比较和分析，以期作出一个操作安全、技术先进、经济合理的设计。同时本文采用基于有限元分析软件ANSYS，借助于软件进行作业是高效而可行的方法，利用现有的理论和技术条件对原有的超高压耐高温反应釜进行改进，为此为反应釜的优化设计提供参考。现报告如下。
一、超高压耐高温反应釜的结构
由于工艺条件和介质的不同，反应釜的材料选择及结构也不尽相同，但基本组成是相同的；反应釜主要由釜体与釜盖两大部件组成：釜体用高强度的合金钢板或复合钢板卷制而成，其内侧一般衬以能承受介质腐蚀的材料，在内衬与釜体之间填充铅锑合金，以使导热和受力；釜盖为平板或凸形封头，它也由高强度的合金钢或复合钢板制成，釜盖上装有进气口、加料口、测压口、安全防爆口等不同口径的接管。釜体与釜盖之间装有密封垫片，通过主螺栓及主螺母使其密封成一体。除有反应釜体外，还有传动装置、搅拌和传热装置、工艺接管等。具体见图1-1。
在设备的结构上设置必要的传热和搅拌装置是为了保证反应能均匀而较快地进行，反应温度控制得比较均匀，以提高效率。搅拌形式一般有锚式、桨式、涡轮式、推进式或框式等，搅拌装置在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶，也可根据用户的要求任意选配。并在釜壁外设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。加热方式有电加热、热水加热、导热油循环加热、远红外加热、外（内）盘管加热等，冷却方式为夹套冷却和釜内盘管冷却，搅拌桨叶的形式等。
二、超高压耐高温反应釜的应力分析
随着国家石油工业化的加快发展，反应釜的需求量越来越大，特别是大型反应釜设备的需求量也越来越多。特别是产品多样化及其需求量的不断加大，为快速响应市场的需求，设备需要不断更替。某某公司的超高压耐高温反应釜承压筒体，是一经过自增强处理的圆柱形筒体，工作时内壁承受液体的高压作用。由于液体轴向压力由堵头直接传递到框架，所以筒体不承受轴向拉伸作用 z0。在图2-1，r i为内半径，r o为外半径的厚壁圆筒，p i为承受的内压值。在分析的过程中，由于对称性，径向应力r、周向应力t 均为r 的函数，即r r、t r。
此类轴对称的空间问题以及各种平面问题一般采用圆柱坐标系统分析，厚壁圆筒在内壁承受液体的内压时会随着半径产生均匀膨胀。通过Matlab 将内径为0.065mm，外径为0.145mm 的厚壁圆筒在工作载荷为
195MPa 绘制出来。图2-2为厚壁圆筒径向应力与轴向应力沿壁厚的变化，其中径向应力r 为压应力，且在内壁处应力的绝对值最大。周向应力t 的符号始终为正，在内壁处为最大值。
三、ANSYS有限元分析
1.有限元技术的含义
有限元技术是借助于强大的数学工具和计算机技术的普及与发展应孕而生的，其属于力学分析中的数值法。它是把一个连续的介质看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达。
2.有限元软件的发展趋势
未来地有限元软件的发展将具有以下特点：向智能化、本地化、方便的二次开发性、友好化方向发展，进一步加强前处理的可视化能力和后处理数据输出功能，以便减少使用者花费在数据准备和结果处理上的时间。加强与设计制造过程的集成和数据转换，向与CAD /CAM无缝化集成的方向发展。即在CAD软件上完成产品的造型设计，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行设计和造型。在有限元分析功能不断完善的基础上，向与优化设计、可靠性分析和其它综合评估功能结合的方向发展。进一步提高非线性问题的求解能力，材料科学的不断发展，研究出了很多性质特殊的新材料，现有的非线性求解器需要进一步完善其功能。由单一零件的模拟向整机的模拟方向发展。
3.ANSYS有限元分析软件
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由于机械产品的设计、制造和试验有以下的特点：在实际中，多数机械产品及其零件都是根据现有同类产品及零件进行改进或近似性设计，其性能可参考现有产品和零件的性能得出；一些机械产品的样机试验相对成本较低，而且比计算机模拟试验更靠；一般的机械产品批量比较大，可以在运行过程中不断改进并积累经验。 四、基于ANSYS的超高压耐高温反应釜有限元优化分析
1.ANSYS的优化分析模块
ANSYS优化设计模块其实就是优化设计方法计算机程序化，在ANSYS中可以通过GUI和APDL两种方式来进行操作，通过这两种渠道都可以简便的完成ANSYS的基本分析三大块：前处理、计算器、后处理。如此就生成优化问题的分析文件，但是之前应该将优化问题转化为数学函数，这样进入优化模块可以很迅速的定义好设计变量、状态变量和优化目标函数，见图4-1。ANSYS程序优化模块的每种方法都是一系列的分析-评估-修正的循环过程，即对初始设计变量进行分析，对每次的分析结果就收敛性进行评估，然后修改设计，这一循环过程重复进行直至所有的设计都要求都满足为止。
2.优化方案
在优化方案中，首先通过函数逼近法对问题进行优化找到最优解的基本位置，然后通过梯度寻优法，此时的设计变量的范围有所缩小，如此对最优解的位置进行更精确的确定。对两种优化方法设定优化迭代次数均为20次，见图4-2与图4-3。
3.高压筒体的ANSYS分析
筒体是设备的主要承载部件，工作时内孔承受液体的高压作用。由于液体轴向压力由堵头直接传递到框架，所以筒体不承受轴向拉伸作用。我们选择的超高压耐高温反应釜筒体承压部分内径为130mm，外径为290mm，试验压力245MPa、设计压力为195MPa。筒体使用材料SA-723M Gr.2，2a，并按ASME 要求取理想弹塑性材料模型。故分析采用Mises 屈服函数、双线性随动材料模型（BKIN），各特性参数取：弹性模量E=1.91×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服极限Sy=895MPa，切线模量Et=0，见图4-4。
经过测试，实际工作循环次数n=30000 次，按ASME 要求，积累使用系数U=n/N=0.73<1，高压筒体符合要求。
总之，基于ANSYS化工设备反应釜的有限元更加的接近实际工作环境，测试数据更加的准确，值得推广应用。
参考文献：
[1] 林玉娟，董秋霞，贾晶晶.厚壁管的自增强损伤残余应力计算模型[J].北京：科学技术与工程，2009，9（24）：7306-7309.
[2] 刘长海，唐立强.基于超高压耐高温反应釜损伤自增强的应力分析[J].压力容器，2005（5）：20-25.
[3] 周建兴.MATLAB 从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2008：112-113.
[4] 梁基照.压力容器优化设计[M].北京：机械工业出版社，2010：56-57.
[5] 桂树国.基于ANSYS 参数化设计语言APDL 的产品结构优化设计[J].大连：组合机床与自动化加工技术，2010（7）：91-97.
[6] 刘洁，张和平.基于ANSYS 参数化语言机械结构优化设计[J].沈阳：沈阳化工学院学报，2004（3）：204-209.
[7] 刘继芳.偏载和低温条件下复合应力吸收夹层对应力强度因子的影响[J].济南：山东交通学院学报，2011，12（4）：28-31.
[8] 刘长佑.基于ANSYS 参数化语言在机械机构中的优化[J].宿州：宿州教育学院学报，2006，10（5）：112-114.
作者简介：焦慧娟，女，1987年出生，山东菏泽人，汉族，硕士研究生，研究方向：化工机械.