淺析ANSYS技術在化工機械設計中的應用

（江漢大學化學與環境工程學院，武漢 430056）

摘 要：隨著現代科學技術的發展，我國化工機械制造領域的設計軟件技術取得了較大的進步，以ANYS軟件、NASTRAN 軟件、IDEAS軟件、ALGOR軟件等為代表的技術在化工機械制造領域的應用受到了相關人員的高度重視。雖然我國的計算機輔助工程的應用還存在很大的局限性，但是化工機械制造領域的軟件技術仍然處于不斷發展的狀態當中。本文以ANSYS軟件技術為例，分析了ANSYS軟件在厚壁受力狀況和換熱器內流體換熱流程設計方面進行設計模擬，從而促進化工機械設備設計趨于合理化。

關鍵詞：ANSYS技術;厚壁受力狀況;熱換器工作流程

0 前言

NSYS技術以其強大的功能受到了國際上的普遍歡迎，已經獲得國際上ISO9001質量認證，并被NQA和ASME等多種大型技術協會納入其中，極大地促進了國際軟件技術的發展。近年來，隨著計算機水平的提升，化工機械設計軟件技術已經逐漸出現了CAE技術和CAD技術，而ANSYS技術是在CAE技術的基礎上發展而來的，可以說是對CAE軟件的補充與完善，這對于化工機械設計具有極其重要的意義[1]。在化工機械設計的過程中，CAD技術和CAE技術仍然是設計人員使用最多的技術軟件，ANSYS技術作為輔助性軟件幫助設計人員進行分析，完善了化工機械設計的技術，為化工機械設備的改進奠定了堅實的基礎。

1 化工機械技術的發展歷程

受經濟發展水平、人員素質、政策等因素的影響，我國的化工機械技術發展比較艱難，但迄今為止，化工機械技術能夠應對機械設計中的絕大部分作用。我國化工技術最早出現在民國時期，在南京、上海、武漢出現化工機械技術之后，直至建國后，國家將化工行業的發展作為國民經濟建設的重點，我國的化工機械技術的發展速度才逐漸得到提升。經過30多年的發展，在70年代末期，我國初步建立起化工機械技術的科研、設計和應用體系，加大對化工機械技術的研究，使化工機械的制造、應用成為化工產業的基礎。在進入改革開放時期后，我國大力引進國外先進的化工機械，促使化工機械技術也隨之獲取，這一時期，我國的化工機械制造行業得到了前所未有的發展機遇，一大批國產工業機械設備紛紛涌現。在21世紀，我國的化工機械技術發展飛快，得益于我國快速增長的經濟水平與行業發展需求，多種化工機械技術滿足了化工機械制造領域的不同設計要求，為我國化工機械制造領域做出了突出貢獻。而當前，我國的化工機械技術不僅要實現系統化，還要體現差異化，因此，如何創新化工機械技術就成為化工機械制造領域接下來要面臨的問題[2]。

2 AANSYS技術在化工機械設計中的具體應用分析

2.1 厚壁受力狀況幾何模型的建立與計算

利用ANSYS技術建立幾何模型，通過對求解結果進行計算，分析機械設備的厚壁受力狀況，具有較高的實用性。利用ANSYS技術建立厚壁受力狀況幾何模型需要注意四個問題，即單元類型選擇與定義常數的確定、網格劃分、施加邊界求解、模型變形圖獲得與軌跡線建立[3]。

（1）單元類型選擇與定義常數、材料屬性的確定。在建立幾何模型之前，設計人員需選擇單元類型，并確定定義常數和材料屬性，可以說，這是利用ANSYS建立幾何模型的基礎性工作，設計人員應當重視這一工作。在利用ANSYS軟件時，設計人員可以通過模塊Structure對結構進行分析，可以發現，施加內壓與應變壓力較高。而PLANE2具有UX和UY兩個較大自由度，設計人員可以選擇PLANE2單元，再對結構進行分析，并采用不同的材料號對材料屬性進行區分。

（2）網格劃分。設計人員在劃分網格的時候，需要分兩個步驟進行，第一步對網格進行初步的劃分，第二步要對網絡進行調整，得到比較精細的網格，確保網格的精準性。

（3）施加邊界求解。在模型上施加邊界求解可以得出初步結果。為了確定物體荷載的響應，并根據荷載進行再次分析，確保施加荷載的準確性，需要進行有限元分析。模型受到的荷載包括外壓、重力和內壓，而在實際的計算過程中，內壓對模型產生的影響較小，可以忽略不計，外壓和重力對模型產生的影響較大，需對其進行重點計算，最后求得結果。

（4）模型變形圖獲得與軌跡線建立。在利用ANSYS進行求解之后，設計人員處理所得結果，得到模型變形圖，并根據模型變形圖定義一條從內徑到外徑的軌跡線，得到應力軌跡圖。

2.2 換熱器內流體換熱過程的模擬設計

利用ANSYS軟件對模擬換熱器內流體換熱過程進行設計，主要是利用FLOTRAN CFD這一分析功能來完成，FLOTRAN CFD可以對二維和三維流體流動場進行分析，相較于其他軟件來說，功能比較先進。設計人員可以流體動力學原理，將分析結果分為瞬時、穩態，獲得每個節點的單元流率和壓力，最后利用軟件得出單元流率圖和壓力圖。以利用ANSYS軟件建立模型設立過程為例，在進行設計時，可以分為兩個步驟來完成。

（1）選擇模型單元和建模。由矩形截面圍繞中心軸旋轉得出的軸對稱模型即為設計模型，設計人員在選擇模型單元的時候，對截面進行選取和分析，以上下兩個矩形截面分別代表不同的流體，在分流情況進行分析時，可采用FLOTRAN CFD模塊。

（2）邊界條件在模型上的施加及其計算。設計人員在對換熱器進行CFD進行計算和分析的時候，需注意以下幾個方面的問題：邊界條件的施加為模型的外界面;當對對稱面施加對稱邊界條件時，邊界條件滿足xy=0;殼程水、管程氣體的溫度與進口速度均為零;當利用ANSYS對溫度方程、壓力方程和速度方程進行計算的時候，迭代次數在170～175之間，得到收斂值標準后再進行計算，處理計算結果即可得到換熱器流-熱耦合場的速度和溫度等值線。

3 結束語

綜上所述，NSYS技術的出現為化工機械制造領域帶來了極大的變化，克服了傳統設計軟件的弊端，促進設計軟件向三維立體模型設計發展，便利了設計人員的設計工作[4]。從未來計算機技術的發展趨勢來看，化工機械制造領域的設計技術還將有進一步的提升，相關的設計人員應當努力提高自身的設計水平，為化工機械設計做出更大的貢獻。

參考文獻：

[1]盛遵榮.計算機輔助技術在化工設備中的應用[J].科技致富向導，2013（26）：131+318.

[2]劉龍興.化工機械設計使用中的智能化探析[J].科技致富向導，2013（27）：312.

[3]石勇.計算機輔助工程在化工機械中的應用[J].機械管理開發，2014（04）：88-89+92.

[4]唐天鵬.ANSYS在化工機械設計中的應用研究[J].化工管理，2014（03）：19.