ANSYS在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

程維姝

摘 要：隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，更是對(duì)機(jī)械設(shè)備性能提出了更高要求，機(jī)械設(shè)計(jì)難度隨之提高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式已不能滿足化工機(jī)械發(fā)展需求，這便迫使著化工機(jī)械設(shè)計(jì)模式改革創(chuàng)新。而ANSYS給化工機(jī)械設(shè)計(jì)提供了新路徑、新環(huán)境，基于ANSYS環(huán)境下的化工機(jī)械設(shè)計(jì)不僅設(shè)計(jì)效果直觀，且設(shè)計(jì)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，在提高化工機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，減小設(shè)計(jì)誤差的同時(shí)，更縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，降低了設(shè)計(jì)難度。本文介紹了ANSYS特點(diǎn)和功能，分析了ANSYS軟件在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ANSYS 技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 ANSYS特點(diǎn)和功能

ANSYS是美國(guó)ANSYS公司研發(fā)的FEA軟件，能與大部分計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與共享。該軟件操作方便，直觀性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、土木工程、石油化工、生物化學(xué)等領(lǐng)域，是主流有限元分析軟件，能用來(lái)分析、求解結(jié)構(gòu)、流體、碰撞、電磁場(chǎng)等問(wèn)題。軟件系統(tǒng)主要模塊包括：后處理模塊、前處理模塊、分析計(jì)算模塊，而且有強(qiáng)大實(shí)體建模工具，模擬效果非常強(qiáng)，后處理模塊能以多種數(shù)據(jù)形式進(jìn)行結(jié)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(guò)一百種以上。而且具有能與互聯(lián)網(wǎng)融通，仿真各類結(jié)構(gòu)材料，簡(jiǎn)化復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)工程問(wèn)題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)非線性分析，歷年FEA 評(píng)比中都名列第一，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要位置。該軟件提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)概念，突破了人工設(shè)計(jì)模式，軟件集成性、功能性強(qiáng)，采用模塊化方式為用戶提供服務(wù)，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)靈活性。而且分析模擬解決均可輕易修改，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式中，修改困難的問(wèn)題，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量和準(zhǔn)確性，減少了誤差，更減低了設(shè)計(jì)成本和難度，實(shí)現(xiàn)了信息化、現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計(jì)。因此，化工機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)積極推廣和運(yùn)用ANSYS技術(shù)。

2 ANSYS軟件在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 利用ANSYS軟件對(duì)模擬換熱器內(nèi)流體換熱過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)

在ANSYS軟件中，其中有一個(gè)叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是對(duì)二維和三維流體流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行分析的先進(jìn)功能。利用該功能進(jìn)行分析，對(duì)多種流體的熱交換器進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，將分析結(jié)果分成瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)，通過(guò)分析得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和單元流率。再利用軟件對(duì)產(chǎn)生的壓力和流率進(jìn)行圖形顯示。舉個(gè)例子，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可以利用ANSYS軟件建立模型設(shè)立過(guò)程。第一，選擇模型單元和建模。設(shè)計(jì)模型是矩形截面圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)得出的軸對(duì)稱模型，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)截面進(jìn)行選取和分析，其中上下兩個(gè)矩形面分別代表兩種流體，然后選擇FLOTRANCED模塊對(duì)兩組分流情況進(jìn)行分析。第二，對(duì)模型施加邊界條件并進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)人員在對(duì)換熱器進(jìn)行CFD計(jì)算和分析中，必須要考慮以下幾點(diǎn)：殼程水的進(jìn)口速度和溫度均為零；管程氣體的進(jìn)口速度和溫度為零；利用ANSYS對(duì)速度方程、壓力方程和溫度方程等方面進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行迭代170-175次左右，收斂標(biāo)準(zhǔn)值后進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行處理，繼而得到換熱器流-熱耦合場(chǎng)的速度和溫度等值線。

2.2 ANSYS機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

作為大型通用有限元分析軟件，ANSYS可以用來(lái)分析結(jié)構(gòu)、流體以及電、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)與較多CAD軟件的接口，是目前常用的高級(jí)CAE軟件。軟件可以分為前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊三個(gè)功能模塊。前處理模塊用于方便用戶建立待分析實(shí)體模型并將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型。分析計(jì)算模塊則主要是用來(lái)模擬分析結(jié)構(gòu)的各物理量之間的耦合作用。利用ANSYS的APDL語(yǔ)言對(duì)于有限元模型的各種參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整，可以快捷地對(duì)于不同參數(shù)條件下的模型進(jìn)行分析，提高了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)的效率。

①結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型建立：解決實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題的首要步驟就是建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。也就是選擇合適的設(shè)計(jì)變量，使得目標(biāo)函數(shù)在現(xiàn)有約束條件下取得最優(yōu)值。其中，即為所求目標(biāo)函數(shù)，是設(shè)計(jì)變量，而和則是約束條件。利用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也必須要先建立數(shù)學(xué)模型，但與傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程不同的是，ANSYS采用參數(shù)設(shè)定的方式來(lái)表述其數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的三要素體現(xiàn)在ANSYS中則分別是設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)。在一次分析中，ANSYS所允許的設(shè)計(jì)變量上限為60個(gè)，狀態(tài)變量的上限則是100個(gè)，以及一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。對(duì)于多目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法將其轉(zhuǎn)化一個(gè)，再進(jìn)行求解；

②ANSYS機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析方法：基于用戶對(duì)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(lái)生成分析文件。批處理方式適用于熟悉ANSYS軟件命令的專業(yè)人士，或者較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)中，可以有效的提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。對(duì)于一般的用戶來(lái)說(shuō)，可以采用圖形交互式。另外，ANSYS給用戶提供了多種優(yōu)化工具和優(yōu)化方法，分別使用不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。用戶在應(yīng)用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須要充分了解待分析問(wèn)題的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的工具和方法進(jìn)行優(yōu)化分析。

利用ANSYS軟件進(jìn)行化工機(jī)械設(shè)計(jì)具有較大的優(yōu)勢(shì)，它能夠方便計(jì)算分析出結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題，并有效解決流體和傳熱等方面問(wèn)題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算繁瑣，求解復(fù)雜，優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率低，精度也難以滿足要求?；谟邢拊治龇ǖ腁NSYS給從事機(jī)械設(shè)計(jì)的科研人員提供了一個(gè)有力的工具，將人們從繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來(lái)。充分利用ANSYS在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析上的優(yōu)勢(shì)，有助于提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，為化工機(jī)械設(shè)計(jì)做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛遵榮.計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在化工設(shè)備中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?013（26）：18.