齿啮式快开压力容器参数化系统开发与应用

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啮式快开压力容器广泛应用于化T、纺织 、食品、航天和纸等 业领域，在目前使用的大多数快开门式压力容器都属于11、低 容器，没有相应的设计标准可供选用。在实际设计中，为提高其疲劳寿命，-般是对齿啮式法兰进行较为保守的设计l1，成本较高，为此同内外展开丁大量的研究↑年来，利用有限元软件对 喘式快开盖结构进行有限元数值分析[21，得到 r比较理想的结果。但是对于普通的设计人员使用 ANSYS软件进行有限元分析，必须对软件和分析过程比较熟悉，还要对力学和有限元理论fj较深的理解， 此利用 VB丰富的窗口界面和APDL强大的语i功能，开发 厂 啮式快开压力容器参数化有限无分析系统，使从术深入学 过 ANSYS软件的工程设计人员也能很好的借助该系统进行快计 力容器的应力和疲劳分析，具有-定的丁程应用价值 、2参数化程序编制ANsYS的-- 次开发，简单来讲就是使用-定手段对 ANSYS软件进行 善，使 更有利于人们的使用。ANSYS自身共提供了三种二次开发技术l3：参数设计语言APDUl、用户图形界面设计语言 UIDL[以及用户可编程特性 UPFs。其中 APDL在目前较为常用，它是-种通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析的手段来帮助用户 自动完成有限元分析过程。

APDL由 1000多条 ANSYS命令组成，它可以用任何 ASCⅡ文件的编辑软件生成。

建立的命令流文件不受软件版本和系统平台的限制，尤其适用于复杂模型和需要多次修改重复分析的问题，也更加利于保存和交流。

2.1参数化有限元建模(1)变量参数定义并赋值 ANSYS包含两种类型的参数：标量和数组16t。在文本文梢中编写 APDL程序时，变量的定义与赋值可以通过SET”和”来实现，定义变量参数是参数化建模的关键步骤，为了避免造成参数名的混乱，便于变量参数的管理与修改，这-设置最好在进入前处/prep7之前进行。当然，在定义-个数组参数之前必须通过 DIM命令来声明其类型和维数。

(2)几何模型建立 在对齿啮式快开结构进行 APDL参数化来稿日期：20l2-O6-04作者简介：丁堵il，f1988-、，曼，江苏南通人，在凄硕 i：研究生，主要研究方向：设备分析设计、安全技术相关研究第4期 丁培丽等：齿啮式快开压力容器参数化系统开发与应用 99 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - - - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - - - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 - - - - - - - - - - 。 - - - - - - - - ， - - ～ - 编程时采用自底向上的建模方法，对点进行设置、编号，然后形成 使用 APDL语言进行疲劳计算的常用命令流为：卡j关的线、面，通过旋转得到体，并进行适当的布尔操作得到所需 /POST1 1进入后处理器，同时恢复数据库的实体模型。 RESUME， !指定位置、事件和加载数目旋转的命令为： FTSIZE， !材料疲劳特l生参数VROTAT，NA1，NA2，NA3，NA4，NA5，NA6，PAX1，PAX2，ARC，NSEG其中，NA1～NA6代表面，PAX1，PAX2为同绕其旋转的点，ARC为旋转的角度，NSEG为旋转得到体的份数。

(3)模型网格划分 网格划分主要包括定义单元属性、设置网格尺寸或精度控制、执行网格划分三个步骤。采用自由网格划分，所使用的命令有：lesize !对线进行划分mshkey，0 1设定网格划分方法为自由网格划分mshape，1，3d!设置为四面体单元vmesh， !对体实行网格划分(4)接触参数没置 模型采用面-面接触模 型，接触单元CONTA174 l和1目标单元 TARGE170共同组成接触对 ，通过 11个实常数如 FKN、FKOP、TAUMAX等来定义接触对的性质和状态，通过单元 键选项的设置来实现对接触行为的控制 。

(5)边界条件设定 边界条件分为两种，力边界条件和位移边界条件，所使用的命令如下：da，area，lab，value，value2 1在选中的面L施加位移约束。其中，area为选取的面的编号sfa，area，lkey，lab，value，value2 1在选中的单元上施加力边界条件2.2应力分析及评定进入求解系统/SOLU时，还需要设置非线性分析输出选项，控制输出结果、时问步长、子步长等。而后使用/SOLVE命令进行i 算在/POST1后处理器巾， 1：H关图形显示命令/SHOW、/HTI E、/VIEW 等控制罔形的 示，分析图形以 JPG形式保存于 ANSYS设苜的T作路径下，以备 VB对 ANSYS应力云图 示结果的调fH 利j命令 PATH及 PRSECT选取路径并显示应力结果，但是为不能确定在壁厚另-侧与最大节点对应的最短路径的节点号的具体数值，不能深入的对最大应力节点进行路径分析。因此为 了，解决此问题 ，根据经验，在模型的危险截面处事先人为地设定路径， 后进行评定，不失为-种能有效解决此问题的方法。

2.3疲劳分析快开式 力容器多为半问歇操作，容器中的物料须频繁更换，容器也需经常打开清洗，频繁的开、停T以及压力波动等，使得容器中应力随时间呈周期性变化。并且随着快开式压力容器直径增大的趋势，使得快开式压力容器的疲劳分析显得更为重要。

ANSYS疲劳分析必须先完成应力分析，进人通用后处理器POSTI，恢复数据库 ，而后建立位置 、事件和载荷数 目，定义材料疲劳性质，确定应力位置和定义应力集中系数，其次存储不同事件和不同载荷下昕关心位置的应力，并指定事件的重复次数和比例系数，接着就能进行疲劳分析计算 ，最后是查看结果。

FP，STITM， !设定疲劳分析中的S-N值，以及Sm-T值Fs， !储存节点应力SET， !从结果文件中提取FSNODE， !储存节点应力FE， !定义事件重复次数和比例因子FTCALC， !激活疲劳分析I IST !查看结果3系统开发系统采用 ANSYS的编程语言 APDL来实现结构的参数化有限元应力分析和疲劳寿命计算，以Visual Basic 6.0作为设计友好交互界面和调用 APDL程序的工具。用户只需通过界面提示设置几何参数、材料属性和载荷，系统就会 自动对 APDL原有命令流进行修改，生成新的rXT文件。通过VB打开及凋用语句，将程序自动导入到ANSYS中，从而完成分析的全过程。软件系统的结构简图，如图 1所示。

图 1分析系统结构简图Fig.1 Structural Sketch of Analysis System在 VB中使用 Print#1，xxx(文件名)”；Textx.Text语句对变量参数进行赋值，以Print#1，XXX”来读人不需要进行修改的 ANSYS的APDL命令流语句。通过 Openc：(APDL程序文件路径)Lxxx(文件名).txt”For Output As#1的VB命令打开位于APDL程序文件路径中的 APDL命令流文件 。成功生成能够被 ANSYS调用的文本文件后 ，在 VB中就可通过 shell函数调ANSYS：XShel(C：LnsysIncvl1 o、ANSYSbinintel/an-sys 1 10.exe-b-P ane3fl-i c：kxxx.txt-0 dAxxxkxXXXX.txt”)191。其中 ：- b表示批处理模式；- P表示产品特征码；- i表示输人文件路径；- O表示输出文件路径；vl1O表示的是 ANSYS版本为 1 1.0，ane3fl表示 ANSYS的产品特征码为多物理场分析，提供各物理充互相耦合的功能。

4应用实例以整体卡箍型快开结构的压力容器为例 ，进行快开结构分析系统的使用，对快开结构进行应力跟疲劳评定。在使用本软件分析之前，在 C盘目录下创建-个名为 APrq 的文件央，j米存放系统牛成的分析文档。根据实际模型的 计参数，住参数设机 械 设计 与 制造No.4Apr.2013界面依次输入各参数值，如 2所永。包括几何参数，材料弹性模1蟹1 ，泊松比，施加的载荷 ，点击确认按钮，生成 txt文件。有限元分忻完成后，点击返H辅助界面，就可以查看该快开装置的有限元分析应力云图，如图3所示 . 击路径按钮，即可显示线性化处理应力冈。

图2参数设置界面Fig.2 Interface of Setting Parameters3 力五Fig3.Stress Nephogram为 r验证快开式 力容器分析设计系统的准确性和可靠以 ANSY；直接建模整体卡箍型快开结构，并施JI1载荷，最后求解计算，得 j的结果与本分析系统得f的结果完全吻合，证明r此软件鹰力分析拈部分的 确性与可靠性。

次进入 2界面，点击疲劳分析控件，进入疲劳分析界mI.根据 JB4732-95 C-1 r1的曲线 C数据进行疲劳参数设置l10，完成没越 ，点出返整体 箍型分析 面，点击确定按钮 ，，戚 干疲劳分析的.1、!文佴；点击 .算按钮，软件即自动进行调J A N ” 进行 傺体 箍 快l千装置的有限元疲劳寿命分析的个过程 在牛成的 wxqkagU.txt文件最后 ，找到CUMULATIVE 1 IGUE USAGE”即得 疲劳分析结果，其中累计使用系数(1.77475 l，所以可判断该整体 箍型快开结构的疲劳寿命合格。

5结论把☆啮式快歼压力容器巾比较复杂的快开密封结构的接触题及疲劳分析川题系统化 ，利H]VB对 ANSYS进行封装，设 计友好的程序界面，使-般的设计人员通过对界面参数输入框的简单输入，就可以轻松的完成有限元分析，缩短快开结构压力容器的歼发剧期，提高 j 设计效率，具有-定的T程应刚价值。