可拆式板式熱交換器固定壓板Ansys拓?fù)鋬?yōu)化初步研究*

李 斐,李治國(guó),金雪梅,王利新

(蘭州蘭石集團(tuán)換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730314)

可拆式板式熱交換器固定壓板Ansys拓?fù)鋬?yōu)化初步研究*

李 斐,李治國(guó),金雪梅,王利新

(蘭州蘭石集團(tuán)換熱設(shè)備有限責(zé)任公司,甘肅蘭州 730314)

通過(guò)運(yùn)用Ansys有限元分析軟件對(duì)可拆式板式熱交換器固定壓板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化初步研究。首先,進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分以及載荷計(jì)算;接著,對(duì)固定壓板進(jìn)行靜力學(xué)分析。最后,在有限元建模和靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析。

固定壓板;有限元;靜力學(xué);拓?fù)鋬?yōu)化

0 引 言

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中,一般通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料替換來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的目的。在概念性設(shè)計(jì)階段應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化,基本設(shè)計(jì)階段應(yīng)用形狀優(yōu)化,詳細(xì)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用尺寸優(yōu)化,通過(guò)三種優(yōu)化工具的應(yīng)用,保證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)既滿足基本性能要求,又最大限度的節(jié)省材料,從而降低了整體質(zhì)量,獲得最佳的結(jié)構(gòu)。主要通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)研究可拆式板式換熱器固定壓板輕量化設(shè)計(jì)的可能性。

可拆式板式熱交換器主要由上導(dǎo)桿、拉桿、下導(dǎo)桿、板片、密封墊、固定壓板、活動(dòng)壓板等零部件組成[1]。以我公司生產(chǎn)的某種型號(hào)產(chǎn)品為例,各部分所占的質(zhì)量百分比如表1所列。

表1 各零部件質(zhì)量分布表

由表1可看出,1臺(tái)板式熱交換器的重量主要集中在壓板上,其中固定壓板占整臺(tái)板式熱交換器重量的41.56%,接下來(lái)運(yùn)用Ansys拓?fù)鋬?yōu)化方法針對(duì)固定壓板進(jìn)行分析。

1 固定壓板建模及有限元分析

1.1 固定壓板建模

固定壓板的材質(zhì)為Q345B,其彈性模量Ex=206 GPa,泊松比取ν=0.3,密度為ρ=7.85 kg/m3,屈服極限為б=295 MPa。對(duì)其進(jìn)行Solidworks建模,模型如圖1所示。

圖1 固定壓板三維模型

為了方便在Ansys中施加載荷,運(yùn)用Solidworks中的曲線-分割線命令,將載荷施加面分割出來(lái)。

1.2 固定壓板有限元建模及網(wǎng)格劃分

為了獲得較好的計(jì)算精度,采用四面體Solid92單元進(jìn)行靜力學(xué)分析。材料屬性定義為線性,彈性,各向同性材料;然后輸入固定壓板的彈性模量、泊松比、密度等參數(shù)。

自由網(wǎng)格劃分(Free)用于空間自由曲面和復(fù)雜實(shí)體,采用三角形、四邊形、四面體進(jìn)行劃分,通過(guò)網(wǎng)格數(shù)量、邊長(zhǎng)及曲率來(lái)控制網(wǎng)格的質(zhì)量。

映射網(wǎng)格劃分則是用于曲線、曲面、實(shí)體的網(wǎng)格劃分方法。映射只用于規(guī)則的幾何圖形,對(duì)于復(fù)雜幾何體則難以執(zhí)行劃分[2-3]。

為了在節(jié)省計(jì)算成本的同時(shí)達(dá)到一定的計(jì)算精度,選擇網(wǎng)格劃分水平值時(shí)選擇5作為Smartsize網(wǎng)格劃分水平值;固定壓板模型比較復(fù)雜,進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),選擇擅長(zhǎng)劃分復(fù)雜實(shí)體的網(wǎng)格劃分方法:Free(自由網(wǎng)格劃分)。

由于固定壓板的模型比較復(fù)雜,在劃分網(wǎng)格時(shí)選擇四面體單元,自由網(wǎng)格劃分方法。最后得到有限元模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖2,3所示。

圖2 固定壓板有限元模型

圖3 固定壓板網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 固定壓板載荷計(jì)算

固定壓板主要承受介質(zhì)壓力,夾緊力以及夾緊后板片的靜摩擦力。固定壓板承受的介質(zhì)壓力為設(shè)計(jì)壓力P=0.6 MPa。

夾緊螺柱孔較多,在進(jìn)行有限元法分析時(shí)需要對(duì)該面進(jìn)行分割,這樣整個(gè)模型加載面上會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的分割面,且對(duì)最后的分析結(jié)果影響不大,為了簡(jiǎn)化模型加載忽略?shī)A緊力。

夾緊狀態(tài)下板片由于摩擦力(f)的作用不會(huì)下滑。由于受力為靜摩擦,該摩擦力等于板片和膠墊的重力(G1+G2)。為了簡(jiǎn)化模型加載,可以假設(shè)固定壓板、活動(dòng)壓板各受一半摩擦力,由于該力沿著重力方向,可以將該摩擦力近似為重力,加載到固定壓板上,等效認(rèn)為固定壓板的密度增大。下面計(jì)算其增加的密度為:

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

在輸入?yún)?shù)時(shí),輸入材料密度為:

ρ′=9.4 kg/m3

其中:m1為固定壓板重量;m2為板片重量;m3為密封墊重量。

2 固定壓板靜力學(xué)分析

在拓?fù)鋬?yōu)化之前一般需要對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,靜力學(xué)分析用來(lái)計(jì)算在外部穩(wěn)態(tài)載荷作用下引起的系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和力。穩(wěn)態(tài)外載荷包括穩(wěn)定的慣性力(如重力,旋轉(zhuǎn)件所受的離心力)和能夠等效為靜載荷的隨時(shí)間變化的載荷[4]。選擇Von Mises等效應(yīng)力來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

靜力學(xué)分析完成之后得出固定壓板的Von Mises等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖可以看出固定壓板的最大應(yīng)力發(fā)生在角孔處,為1.81 MPa,遠(yuǎn)小于其屈服極限。其應(yīng)變?nèi)鐖D5所示,最大形變也發(fā)生在角孔處,為0.117 mm。

圖4 固定壓板Von Mises等效應(yīng)力云

圖5 固定壓板形變圖

3 固定壓板拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化,有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)[5]。

通過(guò)靜力學(xué)分析之后接下來(lái)只需要進(jìn)行定義拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程,在命令框中輸入如下命令流:

Tocomp,mcomp,single,1!

定義拓?fù)鋬?yōu)化的單柔度函數(shù)

Tovar,mcomp,ob!

定義mcomp作為拓?fù)淠繕?biāo)

Tovar,volume,con,,X!

定義拓?fù)浼s束,X%體積

Totype,oc! 指定求解方法

Todef!

定義收斂容差

Toloop,20,1! 定義最大迭代次數(shù)20次

Finish

Toplot

在分析時(shí)分別以減少體積30%和50%為目標(biāo),最終得到固定壓板的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖6、7所示。

通過(guò)分析可知,在減少30%體積為目標(biāo)時(shí),未承壓部分以及承壓部分的邊緣區(qū)域都可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整,以減少50%體積為目標(biāo)時(shí),承壓部分可進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整的區(qū)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,甘肅會(huì)寧人,碩士,主要從換熱器設(shè)計(jì)方面的工作。