淺析ANSYS技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（江漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430056）

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)化工機(jī)械制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)軟件技術(shù)取得了較大的進(jìn)步，以ANYS軟件、NASTRAN 軟件、IDEAS軟件、ALGOR軟件等為代表的技術(shù)在化工機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用受到了相關(guān)人員的高度重視。雖然我國(guó)的計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用還存在很大的局限性，但是化工機(jī)械制造領(lǐng)域的軟件技術(shù)仍然處于不斷發(fā)展的狀態(tài)當(dāng)中。本文以ANSYS軟件技術(shù)為例，分析了ANSYS軟件在厚壁受力狀況和換熱器內(nèi)流體換熱流程設(shè)計(jì)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，從而促進(jìn)化工機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)趨于合理化。

關(guān)鍵詞：ANSYS技術(shù);厚壁受力狀況;熱換器工作流程

0 前言

NSYS技術(shù)以其強(qiáng)大的功能受到了國(guó)際上的普遍歡迎，已經(jīng)獲得國(guó)際上ISO9001質(zhì)量認(rèn)證，并被NQA和ASME等多種大型技術(shù)協(xié)會(huì)納入其中，極大地促進(jìn)了國(guó)際軟件技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著計(jì)算機(jī)水平的提升，化工機(jī)械設(shè)計(jì)軟件技術(shù)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)了CAE技術(shù)和CAD技術(shù)，而ANSYS技術(shù)是在CAE技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，可以說是對(duì)CAE軟件的補(bǔ)充與完善，這對(duì)于化工機(jī)械設(shè)計(jì)具有極其重要的意義[1]。在化工機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，CAD技術(shù)和CAE技術(shù)仍然是設(shè)計(jì)人員使用最多的技術(shù)軟件，ANSYS技術(shù)作為輔助性軟件幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析，完善了化工機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)，為化工機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 化工機(jī)械技術(shù)的發(fā)展歷程

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人員素質(zhì)、政策等因素的影響，我國(guó)的化工機(jī)械技術(shù)發(fā)展比較艱難，但迄今為止，化工機(jī)械技術(shù)能夠應(yīng)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的絕大部分作用。我國(guó)化工技術(shù)最早出現(xiàn)在民國(guó)時(shí)期，在南京、上海、武漢出現(xiàn)化工機(jī)械技術(shù)之后，直至建國(guó)后，國(guó)家將化工行業(yè)的發(fā)展作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)，我國(guó)的化工機(jī)械技術(shù)的發(fā)展速度才逐漸得到提升。經(jīng)過30多年的發(fā)展，在70年代末期，我國(guó)初步建立起化工機(jī)械技術(shù)的科研、設(shè)計(jì)和應(yīng)用體系，加大對(duì)化工機(jī)械技術(shù)的研究，使化工機(jī)械的制造、應(yīng)用成為化工產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。在進(jìn)入改革開放時(shí)期后，我國(guó)大力引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的化工機(jī)械，促使化工機(jī)械技術(shù)也隨之獲取，這一時(shí)期，我國(guó)的化工機(jī)械制造行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，一大批國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)械設(shè)備紛紛涌現(xiàn)。在21世紀(jì)，我國(guó)的化工機(jī)械技術(shù)發(fā)展飛快，得益于我國(guó)快速增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)水平與行業(yè)發(fā)展需求，多種化工機(jī)械技術(shù)滿足了化工機(jī)械制造領(lǐng)域的不同設(shè)計(jì)要求，為我國(guó)化工機(jī)械制造領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。而當(dāng)前，我國(guó)的化工機(jī)械技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，還要體現(xiàn)差異化，因此，如何創(chuàng)新化工機(jī)械技術(shù)就成為化工機(jī)械制造領(lǐng)域接下來要面臨的問題[2]。

2 AANSYS技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用分析

2.1 厚壁受力狀況幾何模型的建立與計(jì)算

利用ANSYS技術(shù)建立幾何模型，通過對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，分析機(jī)械設(shè)備的厚壁受力狀況，具有較高的實(shí)用性。利用ANSYS技術(shù)建立厚壁受力狀況幾何模型需要注意四個(gè)問題，即單元類型選擇與定義常數(shù)的確定、網(wǎng)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(shù)、材料屬性的確定。在建立幾何模型之前，設(shè)計(jì)人員需選擇單元類型，并確定定義常數(shù)和材料屬性，可以說，這是利用ANSYS建立幾何模型的基礎(chǔ)性工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)重視這一工作。在利用ANSYS軟件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過模塊Structure對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，施加內(nèi)壓與應(yīng)變壓力較高。而PLANE2具有UX和UY兩個(gè)較大自由度，設(shè)計(jì)人員可以選擇PLANE2單元，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并采用不同的材料號(hào)對(duì)材料屬性進(jìn)行區(qū)分。

（2）網(wǎng)格劃分。設(shè)計(jì)人員在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，需要分兩個(gè)步驟進(jìn)行，第一步對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行初步的劃分，第二步要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，得到比較精細(xì)的網(wǎng)格，確保網(wǎng)格的精準(zhǔn)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(jié)果。為了確定物體荷載的響應(yīng)，并根據(jù)荷載進(jìn)行再次分析，確保施加荷載的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行有限元分析。模型受到的荷載包括外壓、重力和內(nèi)壓，而在實(shí)際的計(jì)算過程中，內(nèi)壓對(duì)模型產(chǎn)生的影響較小，可以忽略不計(jì)，外壓和重力對(duì)模型產(chǎn)生的影響較大，需對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算，最后求得結(jié)果。

（4）模型變形圖獲得與軌跡線建立。在利用ANSYS進(jìn)行求解之后，設(shè)計(jì)人員處理所得結(jié)果，得到模型變形圖，并根據(jù)模型變形圖定義一條從內(nèi)徑到外徑的軌跡線，得到應(yīng)力軌跡圖。

2.2 換熱器內(nèi)流體換熱過程的模擬設(shè)計(jì)

利用ANSYS軟件對(duì)模擬換熱器內(nèi)流體換熱過程進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是利用FLOTRAN CFD這一分析功能來完成，F(xiàn)LOTRAN CFD可以對(duì)二維和三維流體流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行分析，相較于其他軟件來說，功能比較先進(jìn)。設(shè)計(jì)人員可以流體動(dòng)力學(xué)原理，將分析結(jié)果分為瞬時(shí)、穩(wěn)態(tài)，獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shè)立過程為例，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以分為兩個(gè)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(zhuǎn)得出的軸對(duì)稱模型即為設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)人員在選擇模型單元的時(shí)候，對(duì)截面進(jìn)行選取和分析，以上下兩個(gè)矩形截面分別代表不同的流體，在分流情況進(jìn)行分析時(shí)，可采用FLOTRAN CFD模塊。

（2）邊界條件在模型上的施加及其計(jì)算。設(shè)計(jì)人員在對(duì)換熱器進(jìn)行CFD進(jìn)行計(jì)算和分析的時(shí)候，需注意以下幾個(gè)方面的問題：邊界條件的施加為模型的外界面;當(dāng)對(duì)對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件時(shí)，邊界條件滿足xy=0;殼程水、管程氣體的溫度與進(jìn)口速度均為零;當(dāng)利用ANSYS對(duì)溫度方程、壓力方程和速度方程進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，迭代次數(shù)在170～175之間，得到收斂值標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行計(jì)算，處理計(jì)算結(jié)果即可得到換熱器流-熱耦合場(chǎng)的速度和溫度等值線。

3 結(jié)束語

綜上所述，NSYS技術(shù)的出現(xiàn)為化工機(jī)械制造領(lǐng)域帶來了極大的變化，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的弊端，促進(jìn)設(shè)計(jì)軟件向三維立體模型設(shè)計(jì)發(fā)展，便利了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作[4]。從未來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看，化工機(jī)械制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)技術(shù)還將有進(jìn)一步的提升，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)努力提高自身的設(shè)計(jì)水平，為化工機(jī)械設(shè)計(jì)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛遵榮.計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（26）：131+318.

[2]劉龍興.化工機(jī)械設(shè)計(jì)使用中的智能化探析[J].科技致富向?qū)В?013（27）：312.

[3]石勇.計(jì)算機(jī)輔助工程在化工機(jī)械中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2014（04）：88-89+92.

[4]唐天鵬.ANSYS在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].化工管理，2014（03）：19.