可拆式板式热交换器固定压板Ansys拓扑优化初步研究*

李 斐,李治国,金雪梅,王利新

(兰州兰石集团换热设备有限责任公司,甘肃兰州 730314)

可拆式板式热交换器固定压板Ansys拓扑优化初步研究*

李 斐,李治国,金雪梅,王利新

(兰州兰石集团换热设备有限责任公司,甘肃兰州 730314)

通过运用Ansys有限元分析软件对可拆式板式热交换器固定压板进行拓扑优化初步研究。首先,进行建模、网格划分以及载荷计算;接着,对固定压板进行静力学分析。最后,在有限元建模和静力学分析的基础上对目标进行拓扑优化分析。

固定压板;有限元;静力学;拓扑优化

0 引 言

在现代机械设计中,一般通过结构优化和材料替换来实现轻量化设计的目的。在概念性设计阶段应用拓扑优化,基本设计阶段应用形状优化,详细设计阶段应用尺寸优化,通过三种优化工具的应用,保证所设计的结构既满足基本性能要求,又最大限度的节省材料,从而降低了整体质量,获得最佳的结构。主要通过拓扑优化来研究可拆式板式换热器固定压板轻量化设计的可能性。

可拆式板式热交换器主要由上导杆、拉杆、下导杆、板片、密封垫、固定压板、活动压板等零部件组成[1]。以我公司生产的某种型号产品为例,各部分所占的质量百分比如表1所列。

表1 各零部件质量分布表

由表1可看出,1台板式热交换器的重量主要集中在压板上,其中固定压板占整台板式热交换器重量的41.56%,接下来运用Ansys拓扑优化方法针对固定压板进行分析。

1 固定压板建模及有限元分析

1.1 固定压板建模

固定压板的材质为Q345B,其弹性模量Ex=206 GPa,泊松比取ν=0.3,密度为ρ=7.85 kg/m3,屈服极限为б=295 MPa。对其进行Solidworks建模,模型如图1所示。

图1 固定压板三维模型

为了方便在Ansys中施加载荷,运用Solidworks中的曲线-分割线命令,将载荷施加面分割出来。

1.2 固定压板有限元建模及网格划分

为了获得较好的计算精度,采用四面体Solid92单元进行静力学分析。材料属性定义为线性,弹性,各向同性材料;然后输入固定压板的弹性模量、泊松比、密度等参数。

自由网格划分(Free)用于空间自由曲面和复杂实体,采用三角形、四边形、四面体进行划分,通过网格数量、边长及曲率来控制网格的质量。

映射网格划分则是用于曲线、曲面、实体的网格划分方法。映射只用于规则的几何图形,对于复杂几何体则难以执行划分[2-3]。

为了在节省计算成本的同时达到一定的计算精度,选择网格划分水平值时选择5作为Smartsize网格划分水平值;固定压板模型比较复杂,进行网格划分时,选择擅长划分复杂实体的网格划分方法:Free(自由网格划分)。

由于固定压板的模型比较复杂,在划分网格时选择四面体单元,自由网格划分方法。最后得到有限元模型及网格划分结果分别如图2,3所示。

图2 固定压板有限元模型

图3 固定压板网格划分结果

1.3 固定压板载荷计算

固定压板主要承受介质压力,夹紧力以及夹紧后板片的静摩擦力。固定压板承受的介质压力为设计压力P=0.6 MPa。

夹紧螺柱孔较多,在进行有限元法分析时需要对该面进行分割,这样整个模型加载面上会出现过多的分割面,且对最后的分析结果影响不大,为了简化模型加载忽略夹紧力。

夹紧状态下板片由于摩擦力(f)的作用不会下滑。由于受力为静摩擦,该摩擦力等于板片和胶垫的重力(G1+G2)。为了简化模型加载,可以假设固定压板、活动压板各受一半摩擦力,由于该力沿着重力方向,可以将该摩擦力近似为重力,加载到固定压板上,等效认为固定压板的密度增大。下面计算其增加的密度为:

m1=218.96 kg,ρ=7.85 kg/m3

所以:v1=27.89 m3

m2+m3=86.74 kg

Δm=86.74 kg/2=43.37 kg

Δρ=Δm/v1=1.55 kg/m3

ρ′=9.4 kg/m3

在输入参数时,输入材料密度为:

ρ′=9.4 kg/m3

其中:m1为固定压板重量;m2为板片重量;m3为密封垫重量。

2 固定压板静力学分析

在拓扑优化之前一般需要对模型进行静力学分析,静力学分析用来计算在外部稳态载荷作用下引起的系统或部件的位移、应变、应力和力。稳态外载荷包括稳定的惯性力(如重力,旋转件所受的离心力)和能够等效为静载荷的随时间变化的载荷[4]。选择Von Mises等效应力来判断结构的强度。

静力学分析完成之后得出固定压板的Von Mises等效应力云图如图4所示。

由图可以看出固定压板的最大应力发生在角孔处,为1.81 MPa,远小于其屈服极限。其应变如图5所示,最大形变也发生在角孔处,为0.117 mm。

图4 固定压板Von Mises等效应力云

图5 固定压板形变图

3 固定压板拓扑优化分析

拓扑优化是指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计[5]。

通过静力学分析之后接下来只需要进行定义拓扑优化过程,在命令框中输入如下命令流:

Tocomp,mcomp,single,1!

定义拓扑优化的单柔度函数

Tovar,mcomp,ob!

定义mcomp作为拓扑目标

Tovar,volume,con,,X!

定义拓扑约束,X%体积

Totype,oc! 指定求解方法

Todef!

定义收敛容差

Toloop,20,1! 定义最大迭代次数20次

Finish

Toplot

在分析时分别以减少体积30%和50%为目标,最终得到固定压板的拓扑优化结果如图6、7所示。

通过分析可知,在减少30%体积为目标时,未承压部分以及承压部分的边缘区域都可以进行结构调整,以减少50%体积为目标时,承压部分可进行结构调整的区域增大了。

Prelim inary Topology Optim ization to the Frame Plate of Detachable Plate Heat Exchanger

LI Fei,LIZhi-guo,JIN Xue-mei,WANG Li-xin
(Lanzhou LSHeat Exchange Equipment Co.,Ltd,Lanzhou Gansu 730314,China)

By using the Ansys finite elementmethod,the preliminary topology optimization to the frame plate of detachable plate heat exchanger is completed in this paper.Firstly,it is beginning with modeling,meshing and load calculation;and then,the statics analysis of the frame plate is completed;finally,the target is analyze by using the topology optimizationmethod on the basis of the finite elementmodeling and the statics analysis.

frame plate;finite element;statics;topological optimization

TP391.77

A

1007-4414(2015)06-0027-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.011

2015-09-19

李斐(1989-),男,甘肃会宁人,硕士,主要从换热器设计方面的工作。