应用Ansys辅助《过程设备设计》教学研究

许桂英，全学军，李 军，王 洪，张智恩，张成伟

(重庆理工大学化学化工学院,重庆 401320)

应用Ansys辅助《过程设备设计》教学研究

许桂英*，全学军，李 军，王 洪，张智恩，张成伟

(重庆理工大学化学化工学院,重庆 401320)

过程设备设计是过程装备与控制工程专业主干核心课程，其知识量大，理论性强，难以吸引学生兴趣。目前为了解决此问题，重庆理工大学将Ansys应用于压力容器静态强度有限元分析、压力容器大型设备的模态分析、基于试验模态分析的损伤识别研究等三个方面。通过将仿真与设备设计相结合，提高了学生的学习兴趣，使他们的综合能力得到很大提高。

过程设备设计；教学；仿真

过程设备设计是“过程装备与控制工程”专业的主核心课程，分绪论、压力容器篇和化工设备篇。其中压力容器部分包括压力容器结构、应力分析、材料、设计准则；化工设备篇包括常用储运设备、换热设备、塔设备和反应设备等。此课程涵盖了常用功能性设备结构、工作原理及设计方法，由于过程设备设计力学理论基础内容较多、较难，理论性太强不能引起学生的兴趣，限制学生分析问题与解决实际问题的能力。为解决这个问题，重庆理工大学将理论学习与Ansys仿真研究为一体，将仿真科研融入教学使学生了解到基础理论在生产实际中的用武之地，调动学习积极性。将案例融入教学要坚持以下几点： (1)案例要具有工程应用背景和可以解决工程问题；(2)案例典型并且简单易于操作；(3)案例和过程设备设计理论相关，可以加深对基础理论的理解。目前重庆理工大学将Ansys应用的领域：

1 压力容器静态强度有限元分析

静态强度有限元分析包括对压力容器结构和载荷变化进行有限元分析[1-3]。压力容器设计可分为规则设计和分析设计，规则设计的设计准则是基于弹性失效准则，应于GB150规范系统，是一种经验的设计方法，得出比较保守结构强度结果。以压力储罐为例，在规则设计时没有考虑接管和法兰的影响，对结构和载荷等条件考虑的不全面，压力储罐上带有的接管法兰等结构常常使计算结果误差加大。研究利用有限元分析软件ANSYS对联接接管的储罐进行结构静力分析，可验证储罐的强度是否满足设计要求，并对深入研究奠定基础。使用ansys还可以对压力容器壁厚等进行优化设计[4-5]。本试验室曾涛对外压储罐(埋地)进行有限元分析。材料性能如表1所示。

表1 材料性能表

采用四面体单元对模型进行网格划分，设置单元边长为0.03m，经过网格划分后，数据统计得到469469个节点，240210个单元。由于埋地储罐的设计温度为常温，设计压力为常压，所以我们设计温度取22℃，设计压力取0.1MPa，在本文中，由于条件和技术限制，仅考虑土壤对储罐外壁的压力。此时，就可以设定约束面以及受力面，并施加载荷进行分析，施加载荷面以及约束面，将2个支座底面设为固定约束，对整个储罐外壁施加均布载荷0.1MPa，并设置温度为22℃，同时对模型进行求解[7]。

施加载荷之后，就可以进行线性静力学的结构分析及后处理。由于本文是分析在同一载荷下，不同壁厚储罐模型的强度，那么对其进行有限元分析只要查看关于等效应力和整体变形的变化[8]。那么通过多次模拟分析求解，得到等效应力图和整体变形图。

从计算可以得出储罐筒体壁厚为6mm的储罐在0.1MPa的外压作用下受到的最大等效应力值为22.852MPa，储存罐变形最严重的地方往往在封头最外侧[9]，这个变形往往用位移值来进行表示，经软件分析得其最大位移量为9.9825e-5m。同时，通过ANSYS软件的求解我们得到壁厚为6mm的储罐的各个方向的变形值和3个主应力，如表2所示。

根据弹性理论我们知道，在任何应变状态下，都能够找到三个相互垂直的方向，在对应的方向上只有正应力而剪应力为零，我们称这三个正应力为主应力[10]，分别用σ1，σ2，σ3表示，并且σ1>σ2>σ3，从表2中我们可以知道σ1=15.968MPa，σ2=12.531MPa，σ3=10.982MPa，并且15.968>12.531>10.982，这说明得出的结果是符合要求的。

表2 壁厚为6mm的储罐的各项变形值和应力值

2 压力容器大型设备的模态分析[11-12]

压力容器大型设备比如说塔，换热器，储罐等在设计时不光要考虑它的静态强度，还需要考虑它的动态特性。研究结构动力特性的方法一般有实验法和有限元法，实验方法一般受到模型尺寸限制；有限元法频率范围宽，并且不受模型尺寸限制，即使存在建模误差，但其误差一般在工程可以接受的范围之内。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

图1 塔的第一到六阶振型

Fig.1 First to Sixth vibration mode of the tower

本试验室陈发进行了钢制塔模态分析研究。建立模型, 施加好约束和设置好参数后，通过对ANSYS里得模态计算的宏文件，ANSYS直接加载求解。得到塔体前六阶的振型及频率。进而得出塔设备的前六阶振型图,如图1所示。

由上述塔的固有频率表和前六阶振型图中可以发现，塔的第一阶振型和第二阶振型相同，第三阶振型和第四阶振型相同，第五阶振型和第六阶振型相同。这是因为塔具有对称性，每两个振型之间，除了振动的方向不同，振型是完全一样的。这使的塔的模态分析产生了重合性。除去重合的部分，我们可以得到塔的前三阶振型对应的固有频率，如表3所示。

表3 塔的前三阶振动对应固有频率

通过塔的固有频率，我们能够得到塔的固有周期，第一阶固有周期T1为2.543s，第二阶固有周期T2为0.41s。第三阶固有周期T3为0.148s。从图中我们可以发现，第一阶的振动是以塔体中线(Z轴)为中心的弯曲摆动，发生的最大位移在塔顶位置。二阶振动是在中部位置出现一个拐点的弯曲摆动，但最大位移仍在塔顶位置。三阶振动是存在两个拐点的弯曲摆动，最大位移在两个拐点处。在工程实际中结构会存在很多的模态振型，但据大量研究发现，在每个系统的能量主要集中在低阶频率上特别是第一阶固有频率上。对于低阶风诱导振动的发生往往造成更大的损失，故应对低阶振动应重点分析。

从上面有限元模态分析知，该塔的一阶固有频率为0.39329Hz，临界风速为3.64m/s，对应的风级为3级。3级风为是十分频繁的风型，故该塔容易发生风的诱导振动。同时通过模拟也基本排除掉该塔发生二阶及其以上的风的诱导振动的可能性。所以可以得出结论：该塔产生的风诱导振动为一阶共振。

3 基于试验模态分析的损伤识别研究

对结构进行损伤检测和诊断，了解结构损伤或退化的原因，以此估计和了解结构的健康状况，正日益成为工程界和学术界的一个热门问题。结构损伤势必会导致结构的动态特性，如频率、振型和阻尼等动态参数发生变化。如果这些动态参数的变化能够较好地通过试验或有限元分析得到，那么就可通过对比完好结构与损伤结构的参数来确定损伤的位置和程度，这些属于动力学反问题的研究范畴。本试验室代慈华进行了裂纹烟气脱硫塔模态分析。

下一步试验室将做的工作：

(1)我们可以结合在线检测方法预测压力容器裂纹缺陷扩展规律。

首先利用在线检测方法对压力容器进行检测，然后对该裂纹缺陷模型进行简化，利用有限元软件模拟计算该表面裂纹的应力强度因子，并将模拟所得的结果与工程估算比较，最终的目的是为了减少不必要的停车维护，提高设备运行的经济性和可靠性。

(2)探索压力容器的失稳判据。

利用有限元稳定性模拟分析与薄膜理论对比分析，因失稳状态都有其边界条件，因此设计中可根据设计条件更有效地控制好失稳状态，分析失稳鼓包变形的原因，探讨寻求最终失效破坏的判据，对失稳损伤的力学原理进行探讨研究。

通过将仿真案例应用于学生实践，学生能够更好的理解基础理论知识，并且学会用其来分析和解决问题。通过以上案例可使学生对压力容器结构应力计算方法进行了理论推导，用有限元方法进行验证和修正，获得所需结构应力计算公式，更重要的是可以认识到基础理论知识学习的重要性。每个学生不仅学会几何建模(proe、UG)和有限元分析软件Asys，学会了处理数据和绘制图表，而且学会撰写研究型论文，综合能力得到很大提高。这些软件的学习，不仅会使学生有可能找到相关的工作，并且有可能使读研究生的学生提前进入科研课题，提前获得成果。

致谢：感谢重庆理工大学《过程流体机械》和《过程设备设计》核心课程的支持。

[1] 张东生，王旭飞，刘菊蓉，等. 压力储罐的静态有限元分析[J].机械设计与制造,2013(2):45-46.

[2] 张洪林.大型网壳式拱顶结构有限元分析计算[J].石油规划设计, 1998(5):25-27.

[3] 刘 涛，沈士明. 大型原油储罐的有限元分析[J].机械设计与制造. 2010(3):41-43.

[4] 颜景慧，祁建磊，张 娟，等.二甲醚球罐的在线检测及有限元分析[J].内蒙古工业大学学报， 2014，33(3):200-204.

[5] 陈瑞金，王文焘.LNG储罐外罐罐壁液密性有限元分析[J].石油化工设计,2014，31(1) 14 -16.

[6] 刘 欣.DQ-10型氢气储罐的有限元安全分析[J].沈阳工业大学学报,1999，21(4)：317-322.

[7] 柯林华，丁小军.大型储罐的模态分析[J].嘉兴学院学报,2011，23(3)：103-106.

[8] 张 恒，谢 剑.大型LNG低温储罐模态分析[J].建筑结构,2011，41(s)：123-127.

[9] 李志秋. 液化天然气储罐外壳结构模态分析[J].低温建筑技术,2011(8):75-76.

[10] 刘国昊，朱 奇，康 浩.大型储罐抗震计算[J].内蒙古石油化工,2011(23):33-37.

[11] 许成祥，徐登鸿，陈 松. 基于试验模态分析的原油储罐损伤识别研究[J]. 防灾减灾工程学报. 2008，28(1):31-37.

[12] 王旭飞，刘菊蓉，张东生，等. 预应力压力储罐的模态有限元分析[J].化工机械. 2014，41(4):484-487.

(本文文献格式：许桂英，全学军，李 军，等.应用Ansys辅助《过程设备设计》教学研究[J].山东化工，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

许桂英，吉林人，博士，副教授，研究方向为新能源及其技术装备。

G642.0

A

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