以過程設(shè)備設(shè)計(jì)教學(xué)為例淺談專業(yè)軟件在課程教學(xué)中的應(yīng)用

張羽翔，劉亞莉

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

1 過程設(shè)備設(shè)計(jì)課程特點(diǎn)

過程設(shè)備設(shè)計(jì)是過程裝備與控制工程本科專業(yè)的核心課程，課程目的是使學(xué)生掌握過程設(shè)備設(shè)計(jì)的基本原則與方法，對(duì)工程實(shí)際中用到的設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，培訓(xùn)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。過程設(shè)備設(shè)計(jì)的壓力容器部分理論性較強(qiáng)，尤其是壓力容器中的應(yīng)力分析部分，內(nèi)容抽象枯燥，公式推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生容易對(duì)課程失去興趣;過程設(shè)計(jì)部分中設(shè)備和零部件的結(jié)構(gòu)特征及強(qiáng)度計(jì)算與校核是教學(xué)難點(diǎn)。筆者認(rèn)為在理論教學(xué)過程中結(jié)合相關(guān)專業(yè)軟件的使用(如有限元分析軟件ANSYS、常規(guī)設(shè)計(jì)軟件SW6、壓力容器分析設(shè)計(jì)軟件VAS、三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E)，不僅可以幫助學(xué)生加深對(duì)問題理解和認(rèn)識(shí)，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，為今后的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)，為將來就業(yè)增加一技之長。

2 相關(guān)軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 有限元分析軟件ANSYS

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。

ANSYS軟件的力學(xué)分析功能強(qiáng)大，其中的結(jié)構(gòu)靜力分析是用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力，可進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸面等，還可以求解模態(tài)分析、譜分析、瞬態(tài)動(dòng)力、諧波響應(yīng)及隨機(jī)振動(dòng)的動(dòng)力分析問題。利用ANSYS軟件可以求解在各種外載荷和變形約束下設(shè)備上所有點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)，可以解決理論及常規(guī)設(shè)計(jì)不能解決的力學(xué)問題。

過程設(shè)備設(shè)計(jì)的壓力容器部分涉及到一些理論知識(shí)，如薄壁回轉(zhuǎn)殼體受外壓的彈性失穩(wěn)、受內(nèi)壓殼體與接管的應(yīng)力分布以及平板上開孔引起的應(yīng)力集中等問題，如果運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并將分析結(jié)果以圖形的形式直觀形象的展示給學(xué)生，可使得學(xué)生加深對(duì)問題的理解和認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量。

ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛且操作簡單的有限元分析軟件之一。學(xué)有余力且對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行力學(xué)分析感興趣的學(xué)生可以在課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。可啟發(fā)學(xué)生從分析厚壁圓筒應(yīng)力分布等簡單問題入手熟悉軟件使用的步驟，得到的數(shù)值結(jié)果并用拉美公式驗(yàn)證其正確性。通過建模、結(jié)構(gòu)分析、后處理等不但可以加深對(duì)厚壁容器應(yīng)力分布規(guī)律的理解和認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心，而且還可以讓學(xué)生多掌握一種分析問題的工具，提高自身獨(dú)立分析問題、解決問題的研究能力，可以使學(xué)生拓寬知識(shí)面，初步了解有限元這種力學(xué)分析方法。

2.2 常規(guī)設(shè)計(jì)軟件SW6

常規(guī)設(shè)計(jì)有稱“按規(guī)則設(shè)計(jì)”，以區(qū)別與分析設(shè)計(jì)。常規(guī)設(shè)計(jì)只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷。常規(guī)設(shè)計(jì)包括圓柱形筒體、封頭、密封裝置、開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)、支座和檢查孔、安全泄放裝置的設(shè)計(jì)和選用。

目前用于常規(guī)設(shè)計(jì)的軟件包是過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟 件 SW6-2011。SW6 是 GB150、GB151、GB12337及JB4731等一系列與壓力容器、化工過程設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算模型的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。SW6包括十個(gè)設(shè)備計(jì)算程序，分別為臥式容器、塔器、固定管板換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器、U形管換熱器、帶夾套立式容器、球形儲(chǔ)罐、高壓容器及非圓形容器等，以及零部件計(jì)算程序和用戶材料數(shù)據(jù)庫管理程序。SW6零部件計(jì)算程序可單獨(dú)計(jì)算最為常用的受內(nèi)、外壓的圓筒和各種封頭，以及開孔補(bǔ)強(qiáng)、法蘭等受壓元件，也可對(duì)HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中的一些較為特殊的受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，十個(gè)設(shè)備計(jì)算程序則幾乎能對(duì)該類設(shè)備各種結(jié)構(gòu)組合的受壓元件進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算或整體計(jì)算。

在設(shè)計(jì)中運(yùn)用成熟的設(shè)計(jì)軟件SW6可顯著提高工作效率，在課堂中可以向?qū)W生簡單介紹本軟件包的功能。對(duì)此軟件感興趣的學(xué)生可以在課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)中使用該軟件包進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)軟件形成的過程設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算書對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，提高設(shè)計(jì)工作的效率和準(zhǔn)確性。

2.3 壓力容器分析設(shè)計(jì)軟件VAS

分析設(shè)計(jì)是指以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，采用精細(xì)的力學(xué)分析手段的壓力容器設(shè)計(jì)方法。目前，分析設(shè)計(jì)主要包括應(yīng)力分類法和基于失效模式的直接法。應(yīng)力分類法是當(dāng)今壓力容器分析的主流方法，其基本思想是對(duì)各種外載荷或變形約束下產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行嚴(yán)格而詳細(xì)地計(jì)算，然后按照危害性大小進(jìn)行分類，再按照不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。應(yīng)力計(jì)算方法有解析法、數(shù)值法(如有限元分析法ANSYS)、實(shí)驗(yàn)法。

壓力容器分析設(shè)計(jì)軟件VAS是依據(jù)JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》研制開發(fā)的用于壓力容器分析設(shè)計(jì)的專用軟件。分析軟件包主要用于對(duì)壓力容器的局部開孔及存在接管載荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞、失穩(wěn)等工況的分析計(jì)算與評(píng)定，并可根據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)強(qiáng)度評(píng)定與生成分析報(bào)告。

在壓力容器分析設(shè)計(jì)領(lǐng)域，與國際通用有限元軟件相比，本軟件的主要優(yōu)勢(shì)有:輸入簡單，模型及載荷工況的輸入采取參數(shù)化輸入方式，用戶只需輸入模型的基本幾何參數(shù)，載荷加載方式，即可自動(dòng)生成有限元計(jì)算模型;計(jì)算簡便，生成的模型可使用自有計(jì)算模塊計(jì)算，也可以導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)入方便;可自動(dòng)進(jìn)行應(yīng)力分類并自動(dòng)生成WORD計(jì)算分析報(bào)告并依據(jù)《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行評(píng)定。

目前該軟件包計(jì)算模型包括柱殼開孔、正錐開孔、偏錐開孔、橢圓封頭、柱殼開方孔、三通四通、球冠封頭、蝶形封頭、帶增強(qiáng)法蘭橢圓封頭、柱殼內(nèi)插接管、球罐接管、柱殼切向開孔、柱殼封頭開孔、柱殼極限開孔、封頭極限開孔等15個(gè)計(jì)算模型。計(jì)算類型包括強(qiáng)度計(jì)算、疲勞計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、極限載荷計(jì)算。在課程中講解封頭、開孔接管等問題時(shí)，可以將運(yùn)用此軟件分析的結(jié)果展示給學(xué)生，將抽象的數(shù)據(jù)變換為形象生動(dòng)的彩色應(yīng)力云圖，有助于學(xué)生對(duì)問題的理解。

2.4 三維設(shè)計(jì)軟件

Pro/Engineer是目前世界上最為普及的CAD/CAM/CAE軟件之一，基本上成為三維CAD的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天、家電、玩具等行業(yè)，是一個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件。

對(duì)于過程設(shè)備設(shè)計(jì)中設(shè)備結(jié)構(gòu)部分，學(xué)生對(duì)設(shè)備及零部件結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和理解是教學(xué)難點(diǎn)。利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E制作塔設(shè)備、管殼式換熱器、機(jī)械攪拌反應(yīng)釜等典型設(shè)備零部件的三維實(shí)體模型及固定管板式換熱器、U形管換熱器、浮頭式換熱器、填料塔、機(jī)械攪拌反應(yīng)釜等的三維虛擬拆裝動(dòng)畫，在課堂中可以生動(dòng)形象地演示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其制造、裝配過程，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

對(duì)設(shè)計(jì)感興趣的同學(xué)或致力于從事設(shè)計(jì)工作的學(xué)生可以自主學(xué)習(xí)三維設(shè)計(jì)軟件，為以后就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

3 小結(jié)

在課堂教學(xué)中應(yīng)用ANSYS、Pro/E等軟件可以幫助學(xué)生加深對(duì)難點(diǎn)問題的理解和掌握，但要注意專業(yè)軟件在課程教學(xué)中為輔助教學(xué)，介紹軟件的時(shí)候要把握好度，點(diǎn)到為止。