許桂英，全學(xué)軍，李 軍，王 洪，張智恩，張成偉

(重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401320)

應(yīng)用Ansys輔助《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》教學(xué)研究

許桂英*，全學(xué)軍，李 軍，王 洪，張智恩，張成偉

(重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401320)

過程設(shè)備設(shè)計(jì)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(qiáng)，難以吸引學(xué)生興趣。目前為了解決此問題，重慶理工大學(xué)將Ansys應(yīng)用于壓力容器靜態(tài)強(qiáng)度有限元分析、壓力容器大型設(shè)備的模態(tài)分析、基于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的損傷識別研究等三個(gè)方面。通過將仿真與設(shè)備設(shè)計(jì)相結(jié)合，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們的綜合能力得到很大提高。

過程設(shè)備設(shè)計(jì)；教學(xué)；仿真

過程設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備篇。其中壓力容器部分包括壓力容器結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析、材料、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；化工設(shè)備篇包括常用儲運(yùn)設(shè)備、換熱設(shè)備、塔設(shè)備和反應(yīng)設(shè)備等。此課程涵蓋了常用功能性設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理及設(shè)計(jì)方法，由于過程設(shè)備設(shè)計(jì)力學(xué)理論基礎(chǔ)內(nèi)容較多、較難，理論性太強(qiáng)不能引起學(xué)生的興趣，限制學(xué)生分析問題與解決實(shí)際問題的能力。為解決這個(gè)問題，重慶理工大學(xué)將理論學(xué)習(xí)與Ansys仿真研究為一體，將仿真科研融入教學(xué)使學(xué)生了解到基礎(chǔ)理論在生產(chǎn)實(shí)際中的用武之地，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。將案例融入教學(xué)要堅(jiān)持以下幾點(diǎn)： (1)案例要具有工程應(yīng)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(shè)備設(shè)計(jì)理論相關(guān)，可以加深對基礎(chǔ)理論的理解。目前重慶理工大學(xué)將Ansys應(yīng)用的領(lǐng)域：

1 壓力容器靜態(tài)強(qiáng)度有限元分析

靜態(tài)強(qiáng)度有限元分析包括對壓力容器結(jié)構(gòu)和載荷變化進(jìn)行有限元分析[1-3]。壓力容器設(shè)計(jì)可分為規(guī)則設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)，規(guī)則設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效準(zhǔn)則，應(yīng)于GB150規(guī)范系統(tǒng)，是一種經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，得出比較保守結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果。以壓力儲罐為例，在規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮接管和法蘭的影響，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)常常使計(jì)算結(jié)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(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，可驗(yàn)證儲罐的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，并對深入研究奠定基礎(chǔ)。使用ansys還可以對壓力容器壁厚等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]。本試驗(yàn)室曾濤對外壓儲罐(埋地)進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元邊長為0.03m，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到469469個(gè)節(jié)點(diǎn)，240210個(gè)單元。由于埋地儲罐的設(shè)計(jì)溫度為常溫，設(shè)計(jì)壓力為常壓，所以我們設(shè)計(jì)溫度取22℃，設(shè)計(jì)壓力取0.1MPa，在本文中，由于條件和技術(shù)限制，僅考慮土壤對儲罐外壁的壓力。此時(shí)，就可以設(shè)定約束面以及受力面，并施加載荷進(jìn)行分析，施加載荷面以及約束面，將2個(gè)支座底面設(shè)為固定約束，對整個(gè)儲罐外壁施加均布載荷0.1MPa，并設(shè)置溫度為22℃，同時(shí)對模型進(jìn)行求解[7]。

施加載荷之后，就可以進(jìn)行線性靜力學(xué)的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，那么對其進(jìn)行有限元分析只要查看關(guān)于等效應(yīng)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(yīng)力圖和整體變形圖。

從計(jì)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(yīng)力值為22.852MPa，儲存罐變形最嚴(yán)重的地方往往在封頭最外側(cè)[9]，這個(gè)變形往往用位移值來進(jìn)行表示，經(jīng)軟件分析得其最大位移量為9.9825e-5m。同時(shí)，通過ANSYS軟件的求解我們得到壁厚為6mm的儲罐的各個(gè)方向的變形值和3個(gè)主應(yīng)力，如表2所示。

根據(jù)彈性理論我們知道，在任何應(yīng)變狀態(tài)下，都能夠找到三個(gè)相互垂直的方向，在對應(yīng)的方向上只有正應(yīng)力而剪應(yīng)力為零，我們稱這三個(gè)正應(yīng)力為主應(yīng)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(jié)果是符合要求的。

表2 壁厚為6mm的儲罐的各項(xiàng)變形值和應(yīng)力值

2 壓力容器大型設(shè)備的模態(tài)分析[11-12]

壓力容器大型設(shè)備比如說塔，換熱器，儲罐等在設(shè)計(jì)時(shí)不光要考慮它的靜態(tài)強(qiáng)度，還需要考慮它的動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法一般有實(shí)驗(yàn)法和有限元法，實(shí)驗(yàn)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(nèi)。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)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(yàn)室陳發(fā)進(jìn)行了鋼制塔模態(tài)分析研究。建立模型, 施加好約束和設(shè)置好參數(shù)后，通過對ANSYS里得模態(tài)計(jì)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(jìn)而得出塔設(shè)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?yàn)樗哂袑ΨQ性，每兩個(gè)振型之間，除了振動(dòng)的方向不同，振型是完全一樣的。這使的塔的模態(tài)分析產(chǎn)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(yīng)的固有頻率，如表3所示。

表3 塔的前三階振動(dòng)對應(yīng)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(dòng)是以塔體中線(Z軸)為中心的彎曲擺動(dòng)，發(fā)生的最大位移在塔頂位置。二階振動(dòng)是在中部位置出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)的彎曲擺動(dòng)，但最大位移仍在塔頂位置。三階振動(dòng)是存在兩個(gè)拐點(diǎn)的彎曲擺動(dòng)，最大位移在兩個(gè)拐點(diǎn)處。在工程實(shí)際中結(jié)構(gòu)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(gè)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(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)的發(fā)生往往造成更大的損失，故應(yīng)對低階振動(dòng)應(yīng)重點(diǎn)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(fēng)速為3.64m/s，對應(yīng)的風(fēng)級為3級。3級風(fēng)為是十分頻繁的風(fēng)型，故該塔容易發(fā)生風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)。同時(shí)通過模擬也基本排除掉該塔發(fā)生二階及其以上的風(fēng)的誘導(dǎo)振動(dòng)的可能性。所以可以得出結(jié)論：該塔產(chǎn)生的風(fēng)誘導(dǎo)振動(dòng)為一階共振。

3 基于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的損傷識別研究

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

下一步試驗(yàn)室將做的工作：

(1)我們可以結(jié)合在線檢測方法預(yù)測壓力容器裂紋缺陷擴(kuò)展規(guī)律。

首先利用在線檢測方法對壓力容器進(jìn)行檢測，然后對該裂紋缺陷模型進(jìn)行簡化，利用有限元軟件模擬計(jì)算該表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并將模擬所得的結(jié)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(hù)，提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)中可根據(jù)設(shè)計(jì)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(xué)原理進(jìn)行探討研究。

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

致謝：感謝重慶理工大學(xué)《過程流體機(jī)械》和《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》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(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(2):45-46.

[2] 張洪林.大型網(wǎng)殼式拱頂結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì), 1998(5):25-27.

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[11] 許成祥，徐登鴻，陳 松. 基于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的原油儲罐損傷識別研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào). 2008，28(1):31-37.

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(本文文獻(xiàn)格式：許桂英，全學(xué)軍，李 軍，等.應(yīng)用Ansys輔助《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》教學(xué)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?yàn)樾履茉醇捌浼夹g(shù)裝備。

G642.0

A

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