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(北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 引言

高壓加熱器是利用汽輪機(jī)的部分抽氣對(duì)給水進(jìn)行加熱的裝置，其主要應(yīng)用于大型火電機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)，通常在高壓、管殼程高溫差等高參數(shù)工況下工作，確保設(shè)備安全長(zhǎng)周期運(yùn)行是設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)[1-3]。目前的換熱器設(shè)計(jì)多依據(jù)GB/T 151—2014《熱交換器》進(jìn)行[4]，這種設(shè)計(jì)方法雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但許用應(yīng)力范圍較小，適用于35 MPa以下的壓力容器，而且對(duì)于高壓加熱器設(shè)計(jì)結(jié)果過(guò)于保守。此外，換熱器強(qiáng)度設(shè)計(jì)還可采用分析設(shè)計(jì)方法，即依據(jù)JB 4732—2005《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。該設(shè)計(jì)方法按對(duì)容器強(qiáng)度失效影響程度的不同將應(yīng)力進(jìn)行分類，并在強(qiáng)度校核時(shí)區(qū)別對(duì)待。應(yīng)該說(shuō)，按該方法設(shè)計(jì)更科學(xué)合理，也更加經(jīng)濟(jì)。本文研究的高壓加熱器為高壓設(shè)備，其管程壓力較高，甚至高達(dá)40 MPa，已經(jīng)超出常規(guī)設(shè)計(jì)的范圍，并且由于壓力較高，承壓部件較厚，其管板往往可達(dá)幾百毫米?？紤]到以上原因，針對(duì)高壓加熱器采用分析設(shè)計(jì)的方法，以確保安全性和經(jīng)濟(jì)性。

壓力容器的分析設(shè)計(jì)常常采用有限元分析方法，即使用有限元軟件用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理情況進(jìn)行模擬仿真，該軟件操作難度大，對(duì)設(shè)計(jì)人員數(shù)值分析技術(shù)要求高。目前在壓力容器分析設(shè)計(jì)中，ANSYS是使用最廣泛的有限元分析軟件之一[5]。ANSYS有3種建模方式：參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL、用戶圖形界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言UIDL及用戶可編程特性UPFS。當(dāng)求解模型需要不斷更改時(shí)，APDL所特有的智能分析功能，可以自行設(shè)置變量并賦值，通過(guò)簡(jiǎn)單地改變模型中的某些參數(shù)值就可以建立和分析一個(gè)新的模型。但是APDL的交互性不夠流暢，對(duì)分析人員要求較高。為此，將程序語(yǔ)言與APDL語(yǔ)言結(jié)合起來(lái)，編寫(xiě)出參數(shù)化的用戶界面，使ANSYS的建模過(guò)程可視化，既保留了APDL語(yǔ)言便于修改的優(yōu)點(diǎn)，又解決了APDL語(yǔ)言交互性差的問(wèn)題。對(duì)此，已有不少人進(jìn)行了這方面的研究和實(shí)踐。何慧慧等[6]利用VB和ANSYS，開(kāi)發(fā)了多功能的螺旋板換熱器CAD系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了螺旋板換熱器自動(dòng)畫(huà)圖、自動(dòng)分析、倒錐形端蓋分析設(shè)計(jì)一體化。陳進(jìn)等[7]針對(duì)某種風(fēng)力機(jī)葉片，建立了葉片優(yōu)化模型，用MATLAB和ANSYS建立了復(fù)合材料參數(shù)化葉片模型，通過(guò)改進(jìn)的粒子群算法實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化過(guò)程，研究發(fā)現(xiàn)，相比于最初的葉片，質(zhì)量減輕12.58%。馬寧等[8]用VC封裝ANSYS，建立了埋地管道應(yīng)力分析模型，解決了建模過(guò)程不直觀等問(wèn)題，應(yīng)用結(jié)果表明，該軟件便于操作，且提高了埋地管道應(yīng)力校核效率。

高壓加熱器大小可以不同，但結(jié)構(gòu)基本相同。本文以某種高壓加熱器為對(duì)象，利用ANSYS的APDL語(yǔ)言將建模分析過(guò)程全參數(shù)化，改變各個(gè)自由參數(shù)的數(shù)值便可建立全新的模型；以VB作為工具，開(kāi)發(fā)界面友好、操作方便的人機(jī)交互界面；對(duì)ANSYS的APDL語(yǔ)言進(jìn)行后臺(tái)封裝[9]。用戶只需在前臺(tái)界面的引導(dǎo)下輸入必需的結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能和載荷參數(shù)，即可調(diào)用后臺(tái)的ANSYS命令建立高壓加熱器有限元分析模型、進(jìn)行應(yīng)力分析，并將分析結(jié)果返回給用戶進(jìn)行后處理。

1 高壓加熱器有限元參數(shù)化模型的建立

1.1 高壓加熱器的結(jié)構(gòu)及有限元幾何模型

(a)外視圖

(b)內(nèi)視圖

本文采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和應(yīng)力分析。為保證網(wǎng)格的規(guī)整，采用六面體網(wǎng)格，管板、殼體、封頭、接管和換熱管均使用掃略的網(wǎng)格劃分方式。

1.2 約束與載荷

高壓加熱器通常有2個(gè)或3個(gè)支座，用戶可根據(jù)實(shí)際情況自行選擇支座數(shù)量，通常情況下，管板處的支座為固定支座，施加全約束，而其余支座為滑動(dòng)支座，不約束軸向位移，見(jiàn)圖2。

圖2 模型約束示意(整體)

對(duì)于U形管換熱器，沒(méi)有管子和殼體之間因溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，因此所考慮的載荷為設(shè)備的殼程設(shè)計(jì)壓力和管程設(shè)計(jì)壓力。強(qiáng)度校核時(shí)考慮最危險(xiǎn)載荷工況[11]，因不考慮溫差載荷，故最危險(xiǎn)載荷工況有：工況1(只有殼程內(nèi)壓作用)；工況2(只有管程內(nèi)壓作用)。

1.2.1 工況1(只有殼程內(nèi)壓作用)

殼程內(nèi)壓施加在殼程筒節(jié)、管板殼程側(cè)表面、橢圓封頭內(nèi)表面和換熱管外表面，方向沿著所施加面的法向，管程側(cè)不施加壓力；同時(shí)，各接管除內(nèi)表面承受內(nèi)壓外，還承受壓力引起的等效接管載荷。

1.2.2 工況2(只有管程內(nèi)壓作用)

管程內(nèi)壓施加在管程管箱側(cè)、管板管程側(cè)表面和換熱管內(nèi)表面及換熱管端面載荷，方向沿著所施加面的法向，殼程側(cè)不施加壓力；同時(shí)，各接管除內(nèi)表面承受內(nèi)壓外，還承受壓力引起的等效接管載荷。

1.3 高壓加熱器有限元分析結(jié)果的提取及強(qiáng)度評(píng)定

本文依據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)高壓U形管式換熱器進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，為此提取的有限元分析結(jié)果包括各工況作用下?lián)Q熱器的整體應(yīng)力強(qiáng)度分布、所需校核部位的局部應(yīng)力強(qiáng)度分布、應(yīng)力線性化路徑及應(yīng)力線性化結(jié)果。下面以接管為例，介紹應(yīng)力線性化路徑的設(shè)定。

在接管與封頭或殼體的連接部位往往存在應(yīng)力集中，即出現(xiàn)局部最大應(yīng)力，為此在開(kāi)孔處設(shè)立3條路徑，在接管外伸段存在一次整體薄膜應(yīng)力，設(shè)立1條路徑，如圖3所示。

A-接管連接處對(duì)角線路徑；B-接管焊縫處路徑；C-接管內(nèi)角處路徑；D-接管外伸段路徑

按照應(yīng)力產(chǎn)生的原因和應(yīng)力作用區(qū)域、分布形式對(duì)應(yīng)力線性化后得到的膜應(yīng)力強(qiáng)度和膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力分類，并和相應(yīng)的許用值進(jìn)行比較，完成強(qiáng)度評(píng)定[12]，具體過(guò)程這里不作贅述。

2 高壓加熱器的VB程序界面設(shè)計(jì)

2.1 程序分析流程

ANSYS的標(biāo)準(zhǔn)化分析過(guò)程由4部分組成：ANSYS的啟動(dòng)、創(chuàng)建有限元分析模型、施加載荷并求解、查看分析結(jié)果。

圖4 程序工作流程

為使ANSYS正常運(yùn)行并計(jì)算出結(jié)果，需要以下幾種參數(shù)：ANSYS的啟動(dòng)參數(shù)，其中包括ANSYS安裝路徑與存儲(chǔ)分析過(guò)程文件結(jié)果的分析目錄；組成模型形體的幾何參數(shù)以及模型各部分對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)；加載和邊界條件參數(shù)；以參數(shù)化形式保存的結(jié)果數(shù)據(jù)。程序的具體工作流程如圖4所示。用戶輸入所需參數(shù)后，由程序自動(dòng)啟動(dòng)ANSYS，讀取生成的命令流文件，自行分析計(jì)算，并將分析結(jié)果讀取到結(jié)果界面中。

2.2 程序界面設(shè)計(jì)

在ANSYS分析的前處理階段，用戶輸入啟動(dòng)參數(shù)、模型幾何參數(shù)與材料參數(shù)。參數(shù)輸入界面利用VB的frame控件，將每個(gè)類型的參數(shù)分隔開(kāi)，做到清晰簡(jiǎn)潔。通過(guò)界面文字標(biāo)簽以及文本框?qū)?shù)輸入，保存到程序的參數(shù)變量中，供生成APDL命令流時(shí)調(diào)用。

根據(jù)程序工作流程圖(見(jiàn)圖4)，按系統(tǒng)功能劃分為6個(gè)界面：ANSYS啟動(dòng)參數(shù)與工作目錄輸入界面、高壓加熱器的模型構(gòu)建參數(shù)輸入界面、總體應(yīng)力云圖輸出界面、局部應(yīng)力云圖輸出界面、應(yīng)力線性化結(jié)果輸出界面、已定義路徑的全部結(jié)果讀取界面[13-14]。

2.3 VB對(duì)ANSYS的封裝

2.3.1 VB與ANSYS之間的參數(shù)傳遞

在分析系統(tǒng)中，首先通過(guò)VB窗口將數(shù)值賦給指定參數(shù)，然后生成帶有參數(shù)的文本文件，再將其以APDL語(yǔ)言的形式自動(dòng)寫(xiě)入ANSYS程序，例如：

Open 文檔設(shè)置.工作路徑.Text & APDL.Text & ".txt" For Output As #1

Print #1，"*SET,Rad1,";Text1.Text

Print #1，"*SET,T1,";Text2.Text

Print #1，"*SET,L1,";Text3.Text

其中，“Open……As #1”語(yǔ)句，是在路徑為“文檔設(shè)置.工作路徑”目錄下創(chuàng)建文件名為“APDL”的文本文件；“Print #1，"*SET,Rad1,";Text1.Text”是將Text1控件內(nèi)的數(shù)值賦值給Rad1。

2.3.2 VB對(duì)ANSYS的調(diào)用

VB通過(guò)shell函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS程序的調(diào)用[15]，并將自動(dòng)生成的文本文件導(dǎo)入ANSYS，實(shí)現(xiàn)模型的自動(dòng)建模與分析過(guò)程。例如，當(dāng)ANSYS的安裝路徑為E:ANSYSANSYS Incv170ansysinwinx64ANSYS.exe時(shí)，工作路徑為C:UsersadministratorDesktop，文件名為APDL，VB調(diào)用ANSYS的關(guān)鍵編程語(yǔ)句如下：

Dim X As Long

X=Shell("E:ANSYSANSYSIncv170[ansys]inwinx64ANSYS.exe-b-p ansys-dir-i

C:UsersadministratorDesktopAPDL.txt-o C:UsersadministratorDesktopAPDL.out",1)

為保證軟件在不同電腦之間的通用性，將ANSYS的安裝路徑與任務(wù)的工作路徑作參數(shù)化處理，VB調(diào)用ANSYS的關(guān)鍵編程語(yǔ)句修改如下：

Dim X As Long

X=Shell(文檔設(shè)置.安裝路徑.Text & "-b-p ansys-dir "&文檔設(shè)置.工作路徑.Text & "-i " &文檔設(shè)置.工作路徑.Text &文檔設(shè)置.文件名.Text & ".txt" & "-o "&文檔設(shè)置.工作路徑.Text &文檔設(shè)置.文件名.Text & ".out"，vbMinimizedFocus)

上述代碼使程序自動(dòng)調(diào)用ANSYS并導(dǎo)入命令流文件，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的工作文件儲(chǔ)存在工作目錄下，計(jì)算完成后在工作目錄生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件。

3 高壓加熱器參數(shù)化數(shù)值分析實(shí)例演示

(1)填寫(xiě)工程文件名。ANSYS安裝路徑與工作目錄如圖5所示。

圖5 工作目錄及ANSYS安裝路徑

(2)點(diǎn)擊“下一頁(yè)”，彈出“U形管式高壓加熱器參數(shù)化自動(dòng)建模程序”界面，依次輸入?yún)?shù)(如圖6所示)。

圖6 參數(shù)輸入界面

參數(shù)輸入完成后，輸入約束條件并選擇工況，點(diǎn)擊“確認(rèn)計(jì)算”(如圖7，8所示)。

圖7 約束輸入界面

(3)當(dāng)任務(wù)欄中ANSYS進(jìn)程結(jié)束時(shí)，計(jì)算完成。應(yīng)力分析結(jié)果分別以圖片和文本形式輸出給用戶。在VB界面內(nèi)點(diǎn)擊“查看結(jié)果”按鈕，彈出“該工況下總體應(yīng)力云圖”界面(如圖9所示)。該界面包含整體應(yīng)力云圖與5個(gè)部件按鈕。5個(gè)按鈕分別對(duì)應(yīng)管板、殼程進(jìn)水口、殼程出水口、殼體、殼程封頭等5個(gè)部件。下面以管板為例，演示運(yùn)行步驟。

圖8 工況選擇界面

圖9 高壓加熱器總體應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

若想查看某個(gè)部件的某位置應(yīng)力線性化結(jié)果，則選擇該部件。例如，想查看管程進(jìn)水口的應(yīng)力線性化結(jié)果，點(diǎn)擊“管程進(jìn)水口”按鈕，即可彈出“管程進(jìn)水口應(yīng)力云圖”界面(如圖10所示)。繼續(xù)操作可得到管程進(jìn)水口路徑的應(yīng)力線性化結(jié)果(如圖11所示)。

圖10 管程進(jìn)水管應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖

圖11 管程進(jìn)水管-ph1應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算及校核結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于高壓加熱器壓力高、質(zhì)量大，往往需要進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的情況，本文基于ANSYS的APDL語(yǔ)言可參數(shù)化的特性，結(jié)合VB的交互界面，利用VB對(duì)ANSYS的封裝，開(kāi)發(fā)了高壓加熱器的建模和分析軟件。該軟件具有參數(shù)化自動(dòng)建模、自動(dòng)分析、自動(dòng)讀取結(jié)果和自動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定的功能，降低了設(shè)計(jì)人員采用有限元法對(duì)高壓加熱器進(jìn)行數(shù)值分析的難度，也為高壓加熱器的輕量化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。