應用Ansys輔助《過程設備設計》教學研究

許桂英，全學軍，李 軍，王 洪，張智恩，張成偉

(重慶理工大學化學化工學院,重慶 401320)

應用Ansys輔助《過程設備設計》教學研究

許桂英*，全學軍，李 軍，王 洪，張智恩，張成偉

(重慶理工大學化學化工學院,重慶 401320)

過程設備設計是過程裝備與控制工程專業(yè)主干核心課程，其知識量大，理論性強，難以吸引學生興趣。目前為了解決此問題，重慶理工大學將Ansys應用于壓力容器靜態(tài)強度有限元分析、壓力容器大型設備的模態(tài)分析、基于試驗模態(tài)分析的損傷識別研究等三個方面。通過將仿真與設備設計相結合，提高了學生的學習興趣，使他們的綜合能力得到很大提高。

過程設備設計；教學；仿真

過程設備設計是“過程裝備與控制工程”專業(yè)的主核心課程，分緒論、壓力容器篇和化工設備篇。其中壓力容器部分包括壓力容器結構、應力分析、材料、設計準則；化工設備篇包括常用儲運設備、換熱設備、塔設備和反應設備等。此課程涵蓋了常用功能性設備結構、工作原理及設計方法，由于過程設備設計力學理論基礎內容較多、較難，理論性太強不能引起學生的興趣，限制學生分析問題與解決實際問題的能力。為解決這個問題，重慶理工大學將理論學習與Ansys仿真研究為一體，將仿真科研融入教學使學生了解到基礎理論在生產實際中的用武之地，調動學習積極性。將案例融入教學要堅持以下幾點： (1)案例要具有工程應用背景和可以解決工程問題；(2)案例典型并且簡單易于操作；(3)案例和過程設備設計理論相關，可以加深對基礎理論的理解。目前重慶理工大學將Ansys應用的領域：

1 壓力容器靜態(tài)強度有限元分析

靜態(tài)強度有限元分析包括對壓力容器結構和載荷變化進行有限元分析[1-3]。壓力容器設計可分為規(guī)則設計和分析設計，規(guī)則設計的設計準則是基于彈性失效準則，應于GB150規(guī)范系統(tǒng)，是一種經驗的設計方法，得出比較保守結構強度結果。以壓力儲罐為例，在規(guī)則設計時沒有考慮接管和法蘭的影響，對結構和載荷等條件考慮的不全面，壓力儲罐上帶有的接管法蘭等結構常常使計算結果誤差加大。研究利用有限元分析軟件ANSYS對聯(lián)接接管的儲罐進行結構靜力分析，可驗證儲罐的強度是否滿足設計要求，并對深入研究奠定基礎。使用ansys還可以對壓力容器壁厚等進行優(yōu)化設計[4-5]。本試驗室曾濤對外壓儲罐(埋地)進行有限元分析。材料性能如表1所示。

表1 材料性能表

采用四面體單元對模型進行網格劃分，設置單元邊長為0.03m，經過網格劃分后，數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到469469個節(jié)點，240210個單元。由于埋地儲罐的設計溫度為常溫，設計壓力為常壓，所以我們設計溫度取22℃，設計壓力取0.1MPa，在本文中，由于條件和技術限制，僅考慮土壤對儲罐外壁的壓力。此時，就可以設定約束面以及受力面，并施加載荷進行分析，施加載荷面以及約束面，將2個支座底面設為固定約束，對整個儲罐外壁施加均布載荷0.1MPa，并設置溫度為22℃，同時對模型進行求解[7]。

施加載荷之后，就可以進行線性靜力學的結構分析及后處理。由于本文是分析在同一載荷下，不同壁厚儲罐模型的強度，那么對其進行有限元分析只要查看關于等效應力和整體變形的變化[8]。那么通過多次模擬分析求解，得到等效應力圖和整體變形圖。

從計算可以得出儲罐筒體壁厚為6mm的儲罐在0.1MPa的外壓作用下受到的最大等效應力值為22.852MPa，儲存罐變形最嚴重的地方往往在封頭最外側[9]，這個變形往往用位移值來進行表示，經軟件分析得其最大位移量為9.9825e-5m。同時，通過ANSYS軟件的求解我們得到壁厚為6mm的儲罐的各個方向的變形值和3個主應力，如表2所示。

根據(jù)彈性理論我們知道，在任何應變狀態(tài)下，都能夠找到三個相互垂直的方向，在對應的方向上只有正應力而剪應力為零，我們稱這三個正應力為主應力[10]，分別用σ1，σ2，σ3表示，并且σ1>σ2>σ3，從表2中我們可以知道σ1=15.968MPa，σ2=12.531MPa，σ3=10.982MPa，并且15.968>12.531>10.982，這說明得出的結果是符合要求的。

表2 壁厚為6mm的儲罐的各項變形值和應力值

2 壓力容器大型設備的模態(tài)分析[11-12]

壓力容器大型設備比如說塔，換熱器，儲罐等在設計時不光要考慮它的靜態(tài)強度，還需要考慮它的動態(tài)特性。研究結構動力特性的方法一般有實驗法和有限元法，實驗方法一般受到模型尺寸限制；有限元法頻率范圍寬，并且不受模型尺寸限制，即使存在建模誤差，但其誤差一般在工程可以接受的范圍之內。振動模態(tài)是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態(tài)的特性，就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法。

圖1 塔的第一到六階振型

Fig.1 First to Sixth vibration mode of the tower

本試驗室陳發(fā)進行了鋼制塔模態(tài)分析研究。建立模型, 施加好約束和設置好參數(shù)后，通過對ANSYS里得模態(tài)計算的宏文件，ANSYS直接加載求解。得到塔體前六階的振型及頻率。進而得出塔設備的前六階振型圖,如圖1所示。

由上述塔的固有頻率表和前六階振型圖中可以發(fā)現(xiàn)，塔的第一階振型和第二階振型相同，第三階振型和第四階振型相同，第五階振型和第六階振型相同。這是因為塔具有對稱性，每兩個振型之間，除了振動的方向不同，振型是完全一樣的。這使的塔的模態(tài)分析產生了重合性。除去重合的部分，我們可以得到塔的前三階振型對應的固有頻率，如表3所示。

表3 塔的前三階振動對應固有頻率

通過塔的固有頻率，我們能夠得到塔的固有周期，第一階固有周期T1為2.543s，第二階固有周期T2為0.41s。第三階固有周期T3為0.148s。從圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，第一階的振動是以塔體中線(Z軸)為中心的彎曲擺動，發(fā)生的最大位移在塔頂位置。二階振動是在中部位置出現(xiàn)一個拐點的彎曲擺動，但最大位移仍在塔頂位置。三階振動是存在兩個拐點的彎曲擺動，最大位移在兩個拐點處。在工程實際中結構會存在很多的模態(tài)振型，但據(jù)大量研究發(fā)現(xiàn)，在每個系統(tǒng)的能量主要集中在低階頻率上特別是第一階固有頻率上。對于低階風誘導振動的發(fā)生往往造成更大的損失，故應對低階振動應重點分析。

從上面有限元模態(tài)分析知，該塔的一階固有頻率為0.39329Hz，臨界風速為3.64m/s，對應的風級為3級。3級風為是十分頻繁的風型，故該塔容易發(fā)生風的誘導振動。同時通過模擬也基本排除掉該塔發(fā)生二階及其以上的風的誘導振動的可能性。所以可以得出結論：該塔產生的風誘導振動為一階共振。

3 基于試驗模態(tài)分析的損傷識別研究

對結構進行損傷檢測和診斷，了解結構損傷或退化的原因，以此估計和了解結構的健康狀況，正日益成為工程界和學術界的一個熱門問題。結構損傷勢必會導致結構的動態(tài)特性，如頻率、振型和阻尼等動態(tài)參數(shù)發(fā)生變化。如果這些動態(tài)參數(shù)的變化能夠較好地通過試驗或有限元分析得到，那么就可通過對比完好結構與損傷結構的參數(shù)來確定損傷的位置和程度，這些屬于動力學反問題的研究范疇。本試驗室代慈華進行了裂紋煙氣脫硫塔模態(tài)分析。

下一步試驗室將做的工作：

(1)我們可以結合在線檢測方法預測壓力容器裂紋缺陷擴展規(guī)律。

首先利用在線檢測方法對壓力容器進行檢測，然后對該裂紋缺陷模型進行簡化，利用有限元軟件模擬計算該表面裂紋的應力強度因子，并將模擬所得的結果與工程估算比較，最終的目的是為了減少不必要的停車維護，提高設備運行的經濟性和可靠性。

(2)探索壓力容器的失穩(wěn)判據(jù)。

利用有限元穩(wěn)定性模擬分析與薄膜理論對比分析，因失穩(wěn)狀態(tài)都有其邊界條件，因此設計中可根據(jù)設計條件更有效地控制好失穩(wěn)狀態(tài)，分析失穩(wěn)鼓包變形的原因，探討尋求最終失效破壞的判據(jù)，對失穩(wěn)損傷的力學原理進行探討研究。

通過將仿真案例應用于學生實踐，學生能夠更好的理解基礎理論知識，并且學會用其來分析和解決問題。通過以上案例可使學生對壓力容器結構應力計算方法進行了理論推導，用有限元方法進行驗證和修正，獲得所需結構應力計算公式，更重要的是可以認識到基礎理論知識學習的重要性。每個學生不僅學會幾何建模(proe、UG)和有限元分析軟件Asys，學會了處理數(shù)據(jù)和繪制圖表，而且學會撰寫研究型論文，綜合能力得到很大提高。這些軟件的學習，不僅會使學生有可能找到相關的工作，并且有可能使讀研究生的學生提前進入科研課題，提前獲得成果。

致謝：感謝重慶理工大學《過程流體機械》和《過程設備設計》核心課程的支持。

[1] 張東生，王旭飛，劉菊蓉，等. 壓力儲罐的靜態(tài)有限元分析[J].機械設計與制造,2013(2):45-46.

[2] 張洪林.大型網殼式拱頂結構有限元分析計算[J].石油規(guī)劃設計, 1998(5):25-27.

[3] 劉 濤，沈士明. 大型原油儲罐的有限元分析[J].機械設計與制造. 2010(3):41-43.

[4] 顏景慧，祁建磊，張 娟，等.二甲醚球罐的在線檢測及有限元分析[J].內蒙古工業(yè)大學學報， 2014，33(3):200-204.

[5] 陳瑞金，王文燾.LNG儲罐外罐罐壁液密性有限元分析[J].石油化工設計,2014，31(1) 14 -16.

[6] 劉 欣.DQ-10型氫氣儲罐的有限元安全分析[J].沈陽工業(yè)大學學報,1999，21(4)：317-322.

[7] 柯林華，丁小軍.大型儲罐的模態(tài)分析[J].嘉興學院學報,2011，23(3)：103-106.

[8] 張 恒，謝 劍.大型LNG低溫儲罐模態(tài)分析[J].建筑結構,2011，41(s)：123-127.

[9] 李志秋. 液化天然氣儲罐外殼結構模態(tài)分析[J].低溫建筑技術,2011(8):75-76.

[10] 劉國昊，朱 奇，康 浩.大型儲罐抗震計算[J].內蒙古石油化工,2011(23):33-37.

[11] 許成祥，徐登鴻，陳 松. 基于試驗模態(tài)分析的原油儲罐損傷識別研究[J]. 防災減災工程學報. 2008，28(1):31-37.

[12] 王旭飛，劉菊蓉，張東生，等. 預應力壓力儲罐的模態(tài)有限元分析[J].化工機械. 2014，41(4):484-487.

(本文文獻格式：許桂英，全學軍，李 軍，等.應用Ansys輔助《過程設備設計》教學研究[J].山東化工，2017，46(06)：131-133.)

Teaching Reform and Practice of "Process Equipment Design" Based on Simulation

XuGuiying,QuanXuejun,LiJun,WangHong,ZhangZhien,ZhangChengwei

(College of chemistry and chemical engineering Chongqing University of Technology，Chongqing 401320，China)

Process equipment design ,the core course of the major of process equipment and control engineering, is the main part of the major of process equipment and control engineering. In this paper, according to the characteristics of this course, the simulation research will be integrated into teaching. The fields of the present simulation study involves: finite element static strength analysis of pressure vessel; modal analysis of pressure vessel of large equipment; thermal analysis; research on reliability of structural safety. This paper takes the tank as an example describing the roles of simulation research played in detail. Through combined with the design of equipment, comprehensive ability of the students has been greatly improved.

process equipment design; teaching; simulation

2017-02-13

許桂英，吉林人，博士，副教授，研究方向為新能源及其技術裝備。

G642.0

A

1008-021X(2017)06-0131-03