基于ANSYS優(yōu)化技術(shù)的換熱器法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).kdh

1、15石油和化工設(shè)備論文廣場(chǎng)LUN WEN GUANG CHANG 2009.06【摘 要】 介紹了一種基于ANSYS 優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行換熱器法蘭設(shè)計(jì)的方法及工作過(guò)程,根據(jù)需求定義好了優(yōu)化變量,通過(guò)A NSYS 的不斷迭代得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案,再通過(guò)GB151等進(jìn)行判斷,結(jié)合廠方的要求得出最佳方案,優(yōu)化結(jié)果表明,優(yōu)化是成功的。【關(guān)鍵詞】 ANSYS 優(yōu)化 法蘭 迭代基于ANSYS 優(yōu)化技術(shù)的換熱器法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 徐 釗1 錢作勤1 張 平2 趙自奇1(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063(2.湖北登峰換熱器有限公司 湖北 大冶 435100作者簡(jiǎn)介 徐釗 (1984 - 碩士研究生,

2、主要研究方向是動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)及熱 分析。1 ANSYS 有限元分析ANS YS 軟件在工程上的應(yīng)用十分廣泛,在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等不同領(lǐng)域的使用都能達(dá)到某種程度的可信度,頗獲各界好評(píng)3。在壓力容器行業(yè),ANSYS 占據(jù)了國(guó)內(nèi)95%以上的市場(chǎng)份額,成為壓力容器分析設(shè)計(jì)的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在1995年,全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)發(fā)布了JB4732鋼制壓力容器分析標(biāo)準(zhǔn)后,有限元的應(yīng)用更是上了一個(gè)臺(tái)階。該軟件成為第一個(gè)通過(guò)中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國(guó)務(wù)院十七個(gè)部委推廣使用的分析軟件5。本文的分析計(jì)算主要使用了其中的結(jié)構(gòu)傳熱是化工及相關(guān)過(guò)程工業(yè)生產(chǎn)中重要的單元操作。換熱器形式多

3、種多樣,在石油、化工裝置中建設(shè)投資占比高達(dá)20%-50%。管殼式換熱器單位體積的傳熱面積大,傳熱效果較好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造取材范圍較廣,操作彈性大,應(yīng)用最為廣泛1。本文所選擇設(shè)計(jì)分析的是某非標(biāo)管殼式換熱器的法蘭。非標(biāo)法蘭部位的應(yīng)力情況較為復(fù)雜,傳統(tǒng)方法一般使用湊試法2或經(jīng)驗(yàn)法,隨著有限元分析的出現(xiàn),優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在化工的各個(gè)領(lǐng)域。本文使用ANSYS自帶的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)非標(biāo)法蘭進(jìn)行優(yōu)化,提出了法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。分析部分。1.1 幾何尺寸與載荷某非標(biāo)換熱器法蘭部分,其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。按照上表對(duì)換熱器進(jìn)行參數(shù)化建模以進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,考慮殼程壓力單獨(dú)作用的情況,殼程及法蘭內(nèi)表面施加殼程壓力

4、3.40Mpa ,換熱器法蘭的對(duì)稱面上施加對(duì)稱位移約束,殼體的一端施加軸向約束,另一端與法蘭通過(guò)焊縫相連,在預(yù)緊面上施加螺栓預(yù)緊力和在密封面上施加墊片比壓力可根據(jù)GB151中給出的計(jì)算公式算得,因?yàn)楸疚倪M(jìn)行了參數(shù)化建模,因此本文將國(guó)標(biāo)中的計(jì)算公式作為變量添加到ANSYS 中,預(yù)緊力和比壓力由ANSYS 自行計(jì)算求出。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中,KKR 為法蘭倒圓角處半徑,KKL 為法蘭方孔長(zhǎng),KKW 為法蘭方孔寬,FBH 為法蘭厚度(圖 17石油和化工設(shè)備論文廣場(chǎng)LUN WEN GUANG CHANG 2009.06零階方法。2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟ANS YS 的優(yōu)化過(guò)程通常需要以下幾個(gè)過(guò)程

5、:(1生成分析文件該步驟中最關(guān)鍵的就是參數(shù)化建模,利用ANSYS 的參數(shù)建模功能,將需要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)變量DV 初始化,構(gòu)建成參數(shù)化模型,以方便修正模型。完成參數(shù)建模后,對(duì)模型進(jìn)行加載與求解,根據(jù)要求,這里對(duì)模型只加載殼程壓力,即只考慮殼程壓力單獨(dú)作用的工況,具體加載求解過(guò)程不再贅述。求解完成,進(jìn)入ANSYS 后處理模塊,從ANSYS 自動(dòng)生成的臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取所需的有限元分析結(jié)果賦值給狀態(tài)變量(約束條件SV 和目標(biāo)函數(shù)(優(yōu)化目標(biāo)OBJ 。將上述工作進(jìn)行保存。(2構(gòu)建優(yōu)化控制文件將保存的文件讀入ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,聲明優(yōu)化變量,選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法,指定循環(huán)控制方式,進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)ANSYS 判定目標(biāo)函數(shù)收斂或者用戶在之前指定了優(yōu)化循環(huán)次數(shù)并達(dá)到后,優(yōu)化結(jié)束。之后即可對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行判斷分析。本文根據(jù)廠方要求,將法蘭方孔的長(zhǎng)、寬,方孔上的倒圓角,法蘭厚度作為設(shè)計(jì)變量;根據(jù)大開(kāi)口的原則6,d 0.5D ,d 為開(kāi)孔直徑,D