ANSYS在化工機械設計中的應用

程維姝

摘 要：隨著化工行業的快速發展，更是對機械設備性能提出了更高要求，機械設計難度隨之提高，傳統設計模式已不能滿足化工機械發展需求，這便迫使著化工機械設計模式改革創新。而ANSYS給化工機械設計提供了新路徑、新環境，基于ANSYS環境下的化工機械設計不僅設計效果直觀，且設計過程操作簡單，在提高化工機械設計質量和效率，減小設計誤差的同時，更縮短了設計周期，節約了設計成本，降低了設計難度。本文介紹了ANSYS特點和功能，分析了ANSYS軟件在化工機械設計中的應用。

關鍵詞：ANSYS 技術；機械設計；應用

1 ANSYS特點和功能

ANSYS是美國ANSYS公司研發的FEA軟件，能與大部分計算機輔助設計軟件接口進行數據交換與共享。該軟件操作方便，直觀性強，廣泛應用于機械制造、土木工程、石油化工、生物化學等領域，是主流有限元分析軟件，能用來分析、求解結構、流體、碰撞、電磁場等問題。軟件系統主要模塊包括：后處理模塊、前處理模塊、分析計算模塊，而且有強大實體建模工具，模擬效果非常強，后處理模塊能以多種數據形式進行結果顯示：如矢量顯示、梯度顯示、透明顯示、立體顯示等，提供的單元素材超過一百種以上。而且具有能與互聯網融通，仿真各類結構材料，簡化復雜流體動力學工程問題，進行結構靜力、結構動力、結構非線性分析，歷年FEA 評比中都名列第一，在機械設計領域占據著重要位置。該軟件提出了參數化設計概念，突破了人工設計模式，軟件集成性、功能性強，采用模塊化方式為用戶提供服務，提高了機械設計靈活性。而且分析模擬解決均可輕易修改，有效彌補了傳統設計模式中，修改困難的問題，提升了設計質量和準確性，減少了誤差，更減低了設計成本和難度，實現了信息化、現代化機械設計。因此，化工機械設計中應積極推廣和運用ANSYS技術。

2 ANSYS軟件在化工機械設計中的應用

2.1 利用ANSYS軟件對模擬換熱器內流體換熱過程進行設計

在ANSYS軟件中，其中有一個叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是對二維和三維流體流動場進行分析的先進功能。利用該功能進行分析，對多種流體的熱交換器進行研究。設計人員可以進行流體動力學分析，將分析結果分成瞬態和穩態，通過分析得出每個節點的壓力和單元流率。再利用軟件對產生的壓力和流率進行圖形顯示。舉個例子，在進行設計的過程中，設計人員可以利用ANSYS軟件建立模型設立過程。第一，選擇模型單元和建模。設計模型是矩形截面圍繞中心軸旋轉得出的軸對稱模型，設計人員可以對截面進行選取和分析，其中上下兩個矩形面分別代表兩種流體，然后選擇FLOTRANCED模塊對兩組分流情況進行分析。第二，對模型施加邊界條件并進行計算。設計人員在對換熱器進行CFD計算和分析中，必須要考慮以下幾點：殼程水的進口速度和溫度均為零；管程氣體的進口速度和溫度為零；利用ANSYS對速度方程、壓力方程和溫度方程等方面進行計算。在進行迭代170-175次左右，收斂標準值后進行計算，對計算得出的結果進行處理，繼而得到換熱器流-熱耦合場的速度和溫度等值線。

2.2 ANSYS機械結構優化設計

作為大型通用有限元分析軟件，ANSYS可以用來分析結構、流體以及電、磁場和聲場，可以實現與較多CAD軟件的接口，是目前常用的高級CAE軟件。軟件可以分為前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊三個功能模塊。前處理模塊用于方便用戶建立待分析實體模型并將模型進行網格劃分，生成有限元模型。分析計算模塊則主要是用來模擬分析結構的各物理量之間的耦合作用。利用ANSYS的APDL語言對于有限元模型的各種參數進行修改和調整，可以快捷地對于不同參數條件下的模型進行分析，提高了結構優化分析和設計的效率。

①結構優化設計的模型建立：解決實際工程中的結構優化問題的首要步驟就是建立相應的數學模型。也就是選擇合適的設計變量，使得目標函數在現有約束條件下取得最優值。其中，即為所求目標函數，是設計變量，而和則是約束條件。利用ANSYS進行結構優化設計也必須要先建立數學模型，但與傳統優化設計過程不同的是，ANSYS采用參數設定的方式來表述其數學模型。傳統數學模型的三要素體現在ANSYS中則分別是設計變量、狀態變量和目標函數。在一次分析中，ANSYS所允許的設計變量上限為60個，狀態變量的上限則是100個，以及一個目標函數。對于多目標函數的結構優化設計問題，可以采用統一目標函數法將其轉化一個，再進行求解；

②ANSYS機械結構優化設計分析方法：基于用戶對于軟件熟悉程度的不同，ANSYS提供批處理和圖形交互式兩種方法來生成分析文件。批處理方式適用于熟悉ANSYS軟件命令的專業人士，或者較為復雜的結構分析設計中，可以有效的提高優化設計的效率。對于一般的用戶來說，可以采用圖形交互式。另外，ANSYS給用戶提供了多種優化工具和優化方法，分別使用不同的優化設計問題。用戶在應用ANSYS進行優化設計時，必須要充分了解待分析問題的特點，采用相應的工具和方法進行優化分析。

利用ANSYS軟件進行化工機械設計具有較大的優勢，它能夠方便計算分析出結構方面的問題，并有效解決流體和傳熱等方面問題。傳統的設計方法計算繁瑣，求解復雜，優化設計的效率低，精度也難以滿足要求。基于有限元分析法的ANSYS給從事機械設計的科研人員提供了一個有力的工具，將人們從繁瑣的數學計算中解脫出來。充分利用ANSYS在復雜結構的有限元分析上的優勢，有助于提高結構優化設計的效率，縮短產品研發周期，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）：18.