ANSYS在化工机械设计中的应用

程维姝

摘 要：随着化工行业的快速发展，更是对机械设备性能提出了更高要求，机械设计难度随之提高，传统设计模式已不能满足化工机械发展需求，这便迫使着化工机械设计模式改革创新。而ANSYS给化工机械设计提供了新路径、新环境，基于ANSYS环境下的化工机械设计不仅设计效果直观，且设计过程操作简单，在提高化工机械设计质量和效率，减小设计误差的同时，更缩短了设计周期，节约了设计成本，降低了设计难度。本文介绍了ANSYS特点和功能，分析了ANSYS软件在化工机械设计中的应用。

关键词：ANSYS 技术；机械设计；应用

1 ANSYS特点和功能

ANSYS是美国ANSYS公司研发的FEA软件，能与大部分计算机辅助设计软件接口进行数据交换与共享。该软件操作方便，直观性强，广泛应用于机械制造、土木工程、石油化工、生物化学等领域，是主流有限元分析软件，能用来分析、求解结构、流体、碰撞、电磁场等问题。软件系统主要模块包括：后处理模块、前处理模块、分析计算模块，而且有强大实体建模工具，模拟效果非常强，后处理模块能以多种数据形式进行结果显示：如矢量显示、梯度显示、透明显示、立体显示等，提供的单元素材超过一百种以上。而且具有能与互联网融通，仿真各类结构材料，简化复杂流体动力学工程问题，进行结构静力、结构动力、结构非线性分析，历年FEA 评比中都名列第一，在机械设计领域占据着重要位置。该软件提出了参数化设计概念，突破了人工设计模式，软件集成性、功能性强，采用模块化方式为用户提供服务，提高了机械设计灵活性。而且分析模拟解决均可轻易修改，有效弥补了传统设计模式中，修改困难的问题，提升了设计质量和准确性，减少了误差，更减低了设计成本和难度，实现了信息化、现代化机械设计。因此，化工机械设计中应积极推广和运用ANSYS技術。

2 ANSYS软件在化工机械设计中的应用

2.1 利用ANSYS软件对模拟换热器内流体换热过程进行设计

在ANSYS软件中，其中有一个叫FLOTRANCFD的分析功能，它主要是对二维和三维流体流动场进行分析的先进功能。利用该功能进行分析，对多种流体的热交换器进行研究。设计人员可以进行流体动力学分析，将分析结果分成瞬态和稳态，通过分析得出每个节点的压力和单元流率。再利用软件对产生的压力和流率进行图形显示。举个例子，在进行设计的过程中，设计人员可以利用ANSYS软件建立模型设立过程。第一，选择模型单元和建模。设计模型是矩形截面围绕中心轴旋转得出的轴对称模型，设计人员可以对截面进行选取和分析，其中上下两个矩形面分别代表两种流体，然后选择FLOTRANCED模块对两组分流情况进行分析。第二，对模型施加边界条件并进行计算。设计人员在对换热器进行CFD计算和分析中，必须要考虑以下几点：壳程水的进口速度和温度均为零；管程气体的进口速度和温度为零；利用ANSYS对速度方程、压力方程和温度方程等方面进行计算。在进行迭代170-175次左右，收敛标准值后进行计算，对计算得出的结果进行处理，继而得到换热器流-热耦合场的速度和温度等值线。

2.2 ANSYS机械结构优化设计

作为大型通用有限元分析软件，ANSYS可以用来分析结构、流体以及电、磁场和声场，可以实现与较多CAD软件的接口，是目前常用的高级CAE软件。软件可以分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个功能模块。前处理模块用于方便用户建立待分析实体模型并将模型进行网格划分，生成有限元模型。分析计算模块则主要是用来模拟分析结构的各物理量之间的耦合作用。利用ANSYS的APDL语言对于有限元模型的各种参数进行修改和调整，可以快捷地对于不同参数条件下的模型进行分析，提高了结构优化分析和设计的效率。

①结构优化设计的模型建立：解决实际工程中的结构优化问题的首要步骤就是建立相应的数学模型。也就是选择合适的设计变量，使得目标函数在现有约束条件下取得最优值。其中，即为所求目标函数，是设计变量，而和则是约束条件。利用ANSYS进行结构优化设计也必须要先建立数学模型，但与传统优化设计过程不同的是，ANSYS采用参数设定的方式来表述其数学模型。传统数学模型的三要素体现在ANSYS中则分别是设计变量、状态变量和目标函数。在一次分析中，ANSYS所允许的设计变量上限为60个，状态变量的上限则是100个，以及一个目标函数。对于多目标函数的结构优化设计问题，可以采用统一目标函数法将其转化一个，再进行求解；

②ANSYS机械结构优化设计分析方法：基于用户对于软件熟悉程度的不同，ANSYS提供批处理和图形交互式两种方法来生成分析文件。批处理方式适用于熟悉ANSYS软件命令的专业人士，或者较为复杂的结构分析设计中，可以有效的提高优化设计的效率。对于一般的用户来说，可以采用图形交互式。另外，ANSYS给用户提供了多种优化工具和优化方法，分别使用不同的优化设计问题。用户在应用ANSYS进行优化设计时，必须要充分了解待分析问题的特点，采用相应的工具和方法进行优化分析。

利用ANSYS软件进行化工机械设计具有较大的优势，它能够方便计算分析出结构方面的问题，并有效解决流体和传热等方面问题。传统的设计方法计算繁琐，求解复杂，优化设计的效率低，精度也难以满足要求。基于有限元分析法的ANSYS给从事机械设计的科研人员提供了一个有力的工具，将人们从繁琐的数学计算中解脱出来。充分利用ANSYS在复杂结构的有限元分析上的优势，有助于提高结构优化设计的效率，缩短产品研发周期，为化工机械设计做出更大的贡献。

参考文献：

[1]盛遵荣.计算机辅助技术在化工设备中的应用[J].科技致富向导，2013（26）：18.