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[摘 要]近年来，计算机技术得到了飞速的发展，计算能力与数值计算技术得到了长足的进步，诞生了CAE、CAD等技术，并快速应用到了工业生产中，尤其是电子、航空、土木、机械等行业。ANSYS是第一个通过ISO9001质量体系认证的CAE软件，也是国内第一个通过压力容积标准化技术委员会认证并在17各部委推广的软件。鉴于ANSYS的重要地位，本文就其在化工机械设计中的应用进行了探讨，希望能为广大同行提供参考。
[关键词]ANSYS 化工机械 应力分析 辅助分析 热分析 流场分析
中图分类号：TK284.2 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）34―0552―02
化工机械是机械行业的重要分支，在设计过程中也逐渐开始使用CAE、CAD等技术进行辅助设计与分析。传统的化工机械设计，由于压力容器安全问题的限制，各工业国都制定了压力容器规范，并将这些规范制定成法律性文件，若设计者未按规范来进行设计，就要承担法律后果，使得很多设计都偏于保守，容器也又笨又重，也使得制造成本上升。随着化工设备复杂化、大型化、高参数化趋势的发展，越来越多的压力容器零部件的设计开始采用应力分析完成。利用ANSYS进行有限元辅助分析为化工机械的设计提供了有力的技术保证。
一、ANSYS在化工机械设计中的应用
化工压力容器与化工设备是化工机械行业中的两个重要方面，本文以压力容器与换热器为例，采用ANSYS对厚壁圆通受压过程与换热器换热过程进行了计算模拟，并将所得结果与理论计算结果进行对比，验证误差大小。
1.厚壁圆筒应力计算
结构分析是有限元分析法的常用领域。在ANSYS产品系列中，有7种结构分析类型，其中静力分析可用于分析静力荷载下结构的应力与位移，因此，此处采用结构应力分析来计算厚壁圆通受压后的应力分布。
（1）建立ANSYS几何模型并计算
在ANSYS中选择structure模块，进行结构分析。由于内压较大，其应变也较大，PLANE2是一个可用于大变形的二维平面单元，有UX，UY两个自由度，因此，可选择PLANE2进行分析。材料属性及材料的物理性质，以不同的材料号来表示不同的属性。由于圆筒由整块钢构成，属于各向同性且与温度无关的线性材料。因此，此处取弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。由于图形较简单，因此可直接在ANSYS中建立几何模型。由于该模型图形规则，分网也较为简单，为获得较高的精度，可先进行较粗的网格划分，再用较细的网格将精细度调整至需要的要求，在此，将取单元尺寸为0.008进行划分，得到了11332个节点，5468个单元。有限元分析的目的在于确定物体对载荷的相应，在该例子中，模型受到的载荷主要有内压、外压、重力，由于重力与外压很小，可忽略不计，因此，只针内圆施加表面载荷p=20MPa，然后求解。经ANSYS计算后，对结果进行处理可得模型变形图与节点位移等值线图，定义一条沿径向从厚壁圆筒内径到外径的轨迹线，得到应力轨迹线图，即沿该轨迹线方向的应力分布。
（2）计算结果并分析比较
由于内压作用，圆筒向外膨胀，由于模型为轴对称图形，因此其受到的内压是均匀地，膨胀也是均匀地，与预期相符，ANSYS计算的最大变形量为0.0582mm。节点位移图显示，模型上的节点位移大小沿径向逐渐均匀变化，最大值为0.0582mm，在内圆上，最小值为0.0479mm，在外圆上，变化趋势与实际相符。
采用轨迹线图来表示径向应力与周向应力沿径向变化的曲线，再将参数带入上文解析解的公式，经Matlab6.5程序计算后作双向应力沿径向变化的曲线，通过对理论分析与数值模拟的结果来看，二者几乎是一模一样的。
从以上分析中可以看出，使用ANSYS对厚壁圆筒进行有限元分析的精度非常高，与实际情况吻合度非常高。此外，ANSYS还具有强大的后处理功能，能用较少的花费提供很多用解析方法与试验方法难以得到的细节信息，为压力容器设计提供准确的数据，指导设计进行。
2.模拟换热器内流体换热
ANSYS软件的FLOTRAN CFD分析功能是分析二维、三维流体流动场的工具，FLUID141与FLUID142单元能对多种流体的热交换器进行研究，分析结果即每个节点的压力与通过每个单元的流率，还能通过后处理功能用图形展示压力、温度、流率的图形显示，还能通过热流管单元模拟结构与三维表面效应单元的流体绕流及对流换热效应。以下将使用FLOTRAN CFD模块来模拟套管换热器内流体的流场与温度分布情况。
套管换热器的外管直径为39mm，内管规格为Φ25×2mm，长2500mm。用沸水加热初始温度为5℃的某气体，水走管隙，气体走管内，逆向流动，气体与水的流速分别为0.1m/s与0.01m/s。气体密度为0.1785kg/m3，粘度为1.88×10-5N.s/m2，导热系数为0.144W/（m.℃），比热容为3.18KJ/（kg.℃）。换热管材料为碳钢。
（1）建立ANSYS几何模型并计算
（2）分析仿真結果
流速分布等值线图显示，流体进入管口后，经过一段距离后充分发展，管中心流速最快，并沿径向逐渐降低，壁面处为0.与实际情况相符。温度分布等值线显示，气体温度沿流动方向逐渐升高，而水则与之相反，且两种流体在热交换后的温度变化十分显著，这与实际也是十分相符的。从走壳程的谁的出口温度与流速分布来看，出口处的速度虽然很小，但呈抛物线分布，环隙中央速度最大，内外壁面为0，水出口温度的轨迹线也恰好与气体出口温度变化相反，与实际相符。
二、ANSYS在化工机械设计中的优势
（1）计算精度高，用户界面良好，能方便的计算结构问题，流体与传热问题。
（2）可进行多物理场耦合分析，可分析多个因素的相互制约情况，反映实际情况，ANSYS能为设备的科学设计，材料的合理选用与节约打下良好的基础。
（3）具有强大的后处理功能，能通过模拟仿真以轨迹图、图表、动画的形式展出一些试验方法不能或很难获得的细节信息，用更少的费用、更短的时间展示更加完整的信息结果，指导化工机械设备的优化与设计。
结语：
总而言之，ANSYS的出现为化工机械设备的设计提供了更多的便利，本次研究仅仅探讨了其部分功能，更多的使用功能还需要广大同行更多的探索。另外，再先进的辅助软件也需要人才的操作，因此，广大业内人士在更新辅助软件的同时也应注重自身的专业基础知识提高，更好的服务于化工设备的研发设计。
参考文献
[1] 韩敏.利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J].煤矿机械，2008（01）
[2] 董龙梅，杨涛，孙显.基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化[J].机械设计与制造，2008（06）
[3] 王虎奇，何海钊，陈忠毅.基于ANSYS的装载机铲斗结构静强度的有限元分析[J].广西工学院学报，2009（03）
[4] 乔淑香，邓四二，高银涛，张风琴.基于ANSYS的推力滚针轴承垫圈应力分析[J].轴承，2009（05）
[5] 王明远，周思柱.基于ANSYS的辊压机用行星减速器行星架应力分析[J].机电设备，2008（03）
[6] 许志贵，厉青，王新华.基于ANSYS子模型法在大型化工设备结构应力分析中的应用[J].压力容器，2008（12）
[关键词]ANSYS 化工机械 应力分析 辅助分析 热分析 流场分析
中图分类号：TK284.2 文献标识码：TK 文章编号：1009―914X（2013）34―0552―02
化工机械是机械行业的重要分支，在设计过程中也逐渐开始使用CAE、CAD等技术进行辅助设计与分析。传统的化工机械设计，由于压力容器安全问题的限制，各工业国都制定了压力容器规范，并将这些规范制定成法律性文件，若设计者未按规范来进行设计，就要承担法律后果，使得很多设计都偏于保守，容器也又笨又重，也使得制造成本上升。随着化工设备复杂化、大型化、高参数化趋势的发展，越来越多的压力容器零部件的设计开始采用应力分析完成。利用ANSYS进行有限元辅助分析为化工机械的设计提供了有力的技术保证。
一、ANSYS在化工机械设计中的应用
化工压力容器与化工设备是化工机械行业中的两个重要方面，本文以压力容器与换热器为例，采用ANSYS对厚壁圆通受压过程与换热器换热过程进行了计算模拟，并将所得结果与理论计算结果进行对比，验证误差大小。
1.厚壁圆筒应力计算
结构分析是有限元分析法的常用领域。在ANSYS产品系列中，有7种结构分析类型，其中静力分析可用于分析静力荷载下结构的应力与位移，因此，此处采用结构应力分析来计算厚壁圆通受压后的应力分布。
（1）建立ANSYS几何模型并计算
在ANSYS中选择structure模块，进行结构分析。由于内压较大，其应变也较大，PLANE2是一个可用于大变形的二维平面单元，有UX，UY两个自由度，因此，可选择PLANE2进行分析。材料属性及材料的物理性质，以不同的材料号来表示不同的属性。由于圆筒由整块钢构成，属于各向同性且与温度无关的线性材料。因此，此处取弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。由于图形较简单，因此可直接在ANSYS中建立几何模型。由于该模型图形规则，分网也较为简单，为获得较高的精度，可先进行较粗的网格划分，再用较细的网格将精细度调整至需要的要求，在此，将取单元尺寸为0.008进行划分，得到了11332个节点，5468个单元。有限元分析的目的在于确定物体对载荷的相应，在该例子中，模型受到的载荷主要有内压、外压、重力，由于重力与外压很小，可忽略不计，因此，只针内圆施加表面载荷p=20MPa，然后求解。经ANSYS计算后，对结果进行处理可得模型变形图与节点位移等值线图，定义一条沿径向从厚壁圆筒内径到外径的轨迹线，得到应力轨迹线图，即沿该轨迹线方向的应力分布。
（2）计算结果并分析比较
由于内压作用，圆筒向外膨胀，由于模型为轴对称图形，因此其受到的内压是均匀地，膨胀也是均匀地，与预期相符，ANSYS计算的最大变形量为0.0582mm。节点位移图显示，模型上的节点位移大小沿径向逐渐均匀变化，最大值为0.0582mm，在内圆上，最小值为0.0479mm，在外圆上，变化趋势与实际相符。
采用轨迹线图来表示径向应力与周向应力沿径向变化的曲线，再将参数带入上文解析解的公式，经Matlab6.5程序计算后作双向应力沿径向变化的曲线，通过对理论分析与数值模拟的结果来看，二者几乎是一模一样的。
从以上分析中可以看出，使用ANSYS对厚壁圆筒进行有限元分析的精度非常高，与实际情况吻合度非常高。此外，ANSYS还具有强大的后处理功能，能用较少的花费提供很多用解析方法与试验方法难以得到的细节信息，为压力容器设计提供准确的数据，指导设计进行。
2.模拟换热器内流体换热
ANSYS软件的FLOTRAN CFD分析功能是分析二维、三维流体流动场的工具，FLUID141与FLUID142单元能对多种流体的热交换器进行研究，分析结果即每个节点的压力与通过每个单元的流率，还能通过后处理功能用图形展示压力、温度、流率的图形显示，还能通过热流管单元模拟结构与三维表面效应单元的流体绕流及对流换热效应。以下将使用FLOTRAN CFD模块来模拟套管换热器内流体的流场与温度分布情况。
套管换热器的外管直径为39mm，内管规格为Φ25×2mm，长2500mm。用沸水加热初始温度为5℃的某气体，水走管隙，气体走管内，逆向流动，气体与水的流速分别为0.1m/s与0.01m/s。气体密度为0.1785kg/m3，粘度为1.88×10-5N.s/m2，导热系数为0.144W/（m.℃），比热容为3.18KJ/（kg.℃）。换热管材料为碳钢。
（1）建立ANSYS几何模型并计算
（2）分析仿真結果
流速分布等值线图显示，流体进入管口后，经过一段距离后充分发展，管中心流速最快，并沿径向逐渐降低，壁面处为0.与实际情况相符。温度分布等值线显示，气体温度沿流动方向逐渐升高，而水则与之相反，且两种流体在热交换后的温度变化十分显著，这与实际也是十分相符的。从走壳程的谁的出口温度与流速分布来看，出口处的速度虽然很小，但呈抛物线分布，环隙中央速度最大，内外壁面为0，水出口温度的轨迹线也恰好与气体出口温度变化相反，与实际相符。
二、ANSYS在化工机械设计中的优势
（1）计算精度高，用户界面良好，能方便的计算结构问题，流体与传热问题。
（2）可进行多物理场耦合分析，可分析多个因素的相互制约情况，反映实际情况，ANSYS能为设备的科学设计，材料的合理选用与节约打下良好的基础。
（3）具有强大的后处理功能，能通过模拟仿真以轨迹图、图表、动画的形式展出一些试验方法不能或很难获得的细节信息，用更少的费用、更短的时间展示更加完整的信息结果，指导化工机械设备的优化与设计。
结语：
总而言之，ANSYS的出现为化工机械设备的设计提供了更多的便利，本次研究仅仅探讨了其部分功能，更多的使用功能还需要广大同行更多的探索。另外，再先进的辅助软件也需要人才的操作，因此，广大业内人士在更新辅助软件的同时也应注重自身的专业基础知识提高，更好的服务于化工设备的研发设计。
参考文献
[1] 韩敏.利用ANSYS软件对压力容器进行应力分析[J].煤矿机械，2008（01）
[2] 董龙梅，杨涛，孙显.基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化[J].机械设计与制造，2008（06）
[3] 王虎奇，何海钊，陈忠毅.基于ANSYS的装载机铲斗结构静强度的有限元分析[J].广西工学院学报，2009（03）
[4] 乔淑香，邓四二，高银涛，张风琴.基于ANSYS的推力滚针轴承垫圈应力分析[J].轴承，2009（05）
[5] 王明远，周思柱.基于ANSYS的辊压机用行星减速器行星架应力分析[J].机电设备，2008（03）
[6] 许志贵，厉青，王新华.基于ANSYS子模型法在大型化工设备结构应力分析中的应用[J].压力容器，2008（12）