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基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

晨怡热管 (新疆大学化学化工学院,新疆鸟鲁木齐830008) 侯静 张亚新 韩维涛 2010-3-4 1:28:12
摘要:介绍了基于ANSYS的蛄构优化设计的基本原理和方法,用ANSYS软件对u型管换热器的管板厚度进行了优化设计,得出了管板参数的最佳组合,为换热器的设计提供了理论依据。
    关键词:ANSYSl优化设计;目标函数;管板
    中圈分类号:TQ051.5 文献标志码}A 文章编号:1005—2895(2006)01 0026—04
    0 引 言
    结构优化是结构设计的一个重要方面。在结构优化中,有限元方法是重要方法之一。2O世纪6O年代以来,随着计算机技术的蓬勃发展,有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法,并很快广泛应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。ANSYS系统是第一个通过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件,在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[1]。
    换热器管板是换热器中的重要部件。根据管板结构的特点,它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性的作用。本文采用ANSYS有限元分析软件,建立换热器管板的有限元模型,加载求解,利用其优化功能模块进行优化处理,给出了管板参数的最优组合,为换热器的设计提供了有价值的理论依据。
    1 优化设计基本原理
    优化问题的基本原理是通过优化模型的建立,运用各种优化方法,通过满足设计要求的条件下迭代计算,求得目标函数的极值,得到最优设计方案。在一个设计优化工作之前,用3种变量来阐明设计问题,优化问题的数学模型可表示为[2]。
                 
                
    2 ANSYS优化设计概述
    2.1 优化变量
    优化变量是优化设计过程中的基本变量,包括设计变量(DV)、状态变量(SV)和目标函数设计变量(DV)是优化设计中的自变量,通常包括几何尺寸(如截面面积、宽度、高度等)、材质、载荷位置、约束位置等。优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限,它定义了设计变量的变化范围。
    状态变量(SV)是指约束设计的数值,通常包括内力、弯矩、应力、位移等。它们一般是设计变量的函数,是“因变量”。只有状态变量符合规定的限制条件设计才能合理,从而才能实现优化设计。
    目标函数是指设计所要优化的数值,通常包括结构重量、尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的半径)、支撑位置、制造费用等性能准则。它必须是设计变量的函数,也就是说,改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。
    2.2 优化工具和方法
    优化工具是搜索和处理设计空间的技术,可用的优化工具有:单步运行法(Single Run)、随机搜索法(Random Designs)、乘子评估法(Factoria1)、等步长搜索法(Gradient)、最优梯度法(DV Sweeps)5种。因为求最小值不一定是优化的最终目标,所以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出,但是必须要指定设计变量 。
    优化方法是使单个函数(目标函数)在控制条件下达到最小值的传统化的方法。有2种常用的优化方法:零阶方法(Sub—Problem)和一阶方法(First—Order)。
    零阶方法的本质是采用最小二乘法逼近、求取一个函数面来拟合解空间,然后再对该函数面求极值。这无疑是一种普遍的优化方法,不易陷入局部极值点,但优化精度一般不高,故多用于粗优化阶段。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此,更加适合于精确的优化分析。
    2.3 优化步骤 
    在使用ANSYS进行优化设计时,有2种实现方法:GUI交互式和命令流式。
交互方式具有很大的灵活性,而且可以实时看到循环过程的结果。在用GUI方式进行优化时,首要的是要建立模型的分析文件,然后优化处理器所提供的功能都可以交互式地使用,以确定设计空间,便于后续优化处理的进行。这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小,使优化过程得到更高的效率。
    如果用户对于ANSYS程序的命令相当熟悉,就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。对于复杂的需要耗费大量机时的分析任务来说(如非线性),这种方法更有效。
    优化设计通常包括以下几个步骤,这些步骤根据用户所选用优化方法的不同而有细微的差别。
    (1)生成循环所用的分析文件,该文件必须包括整个分析过程;(2)建立优化参数;(31进入优化模块,指定分析文件(OPT);(4)声明优化变量;(5)选择优化
工具和优化方法;(6)指定优化循环控制方式;(71进行优化分析;(8)查看设计序列结果(OPT)和后处理(POST1/POST261。
    3 U型管换热器的优化设计过程
    3.1 问题描述
    如图1所示为U型管换热器的结构示意图,管板材料选用20MnMo锻件,球形封头材料为16MnR,材料的弹性模量E一2.0×10 Mpa,泊松比为0.3,密度为7.8 t/m ,设计压力为31.4 MPa,许用应力为196MPa。由于该换热器是轴对称结构,所以可选其一半结构来建模。为了节省时间和存储空间,而又不影响分析
结果,可根据其结构略去一些细节。其中管孔对于管板强度的削弱,可以采用有效弹性模量E。和有效泊松比V1的概念将管板折算为同厚度的当量无孔圆平板。因此,管板区域分为2大部分,1区按等效圆板来处理,而2区按实际情况处理。根据相关文献得到E。一0.54 E,V =0.36。综上所述,所得简化分析模型如图2所示。
                 
                             
                                      图2 U 型管换热器的简化分析模型
    3.2 建立数学模型 
    在换热器的应力分析中,换热器部件设计时关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小,可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。很显然,这是一个2D的有约束优化问题 管板结构优化设计的最终目的是在满足给定的刚度和强度要求下使管板的重量达到最小。根据管箱的结构形式,选定管板的厚度h和管板的外半径6作为优化设计的设计变量。σ为优化设计中结构的等效应力强度,需作为一个约束条件。综上所述可得管板结构优化设计的数学模型为:
             
    3.3 约束条件及载荷
    b,h的变化范围分别是:6∈(790,820);h∈(340,390)它们的初值分别为6—820 mm,h一390 mm。将图2所示的简化模型进行有限元建模,对边界区采用三角形单元PLANE2,自由网格划分;非边界区采用四边形单元SOLID82,映射网格划分。生成的有限元模型如图3所示。
                          
    边界条件施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。由于换热器的应力分析是以线代面,而且是取一半进行分析,所以在端面处施加x方向约束和管孔处施加y方向约束。整个管程承受压力,所以在线上施加面载荷P:==31.4 MPa。
    3.4 优化处理及分析
    本文选用精度很高的First—Order法运行,采用多次迭代得出不同的设计序列查看序列结果,可得5个设计序列,优化结果如表1所示 可以看出序列4是最佳设计序列(*表示最优组数据)。优化后所得有限元模型如图4所示。从图4可以直接观察到良好的优化效果。
                 
    目标函数收敛情况如图5所示,状态变量收敛情况如图6所示。
                         
    从表1中结果分析可以得出,在优化设计序列4中,目标函数管板重量减轻了22.26% ,优化效果明显。通过图5可清楚地看出,目标函数随迭代次数的增加
向最佳设计方案逼近的效果良好。由图6可以看出等:效应力随迭代次数的变化情况,最大等效应力为141.64 MPa远小于给定的许用值294 MPa,从序列4开始等效应力基本为恒值。趋于稳定,可见其强度是足够的。
    4 结 论
    (1)利用大型有限元分析软件ANSYS对换热器管板厚度进行优化分析,得到了较好的优化效果,很好地印证了有限元分析技术在结构优化设计中的应用价值,减少了设计成本和设计周期。
    (2)管板的最优尺寸为:6—790 mm,h===340 mm。优化后的质量由最初的lO.054 kg下降到7.8158 kg,减轻了22.26%,优化效果明显。
    (3)基于ANsYs的结构优化设计在解决结构优化问题时是有效的、实用的,是结构优化设计实现方法的一个重要组成部分。随着计算机技术的进步,这种方法的应用空间将会得到进一步的拓展。
    参考文献:
    [1] 任 重.ANSYS实用分析教程[M].北京:清华大学出版社。2003.
    [2] 倪正顺,帅词俊.CAE方法中的优化技术及其应用EJ].现代机械,2002。(2)l16— 18.
    [3] 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版牲,2005.
责任编辑: banye 参与评论
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