ANSYS在《化工设备机械基础》课程教学中的应用

ANSYS在《化工设备机械基础》课程教学中的应用
于驰
【摘要】Mechanical Basis of Chemical Equipment is one of important and basic specialized courses for major of process equipment and control engineering, which plays a vital role for students to engage in the design, calculation, selection and application of process equipment in future. During teaching process ANSYS finite element software was introduced as a teaching aid for design of chemical containers. Several years of practice showed that ANSYS assisted teaching could stimulate learning interest, broaden students’ horizons, deepen understanding of content and even improved students’ design capability.%《化工设备机械基础》是过程装备与控制工程专业一门重要的专业基础课，对学生今后从事过程装备的设计、计算、设备选型和应用工作有重要作用。

在课程的化工容器设计教学阶段，结合ANSYS有限元软件进行辅助教学，通过几年来的教学实践表明，采用ANSYS软件进行辅助教学可以激发学生的学习兴趣，开阔学生眼界，加深学生对课程内容的理解，提高学生的设计能力。

【期刊名称】《广州化工》
【年(卷),期】2015(000)013
【总页数】3页(P183-184,218)
【关键词】化工设备机械基础;有限元;ANSYS;教学
【作者】于驰
【作者单位】大连大学环境与化学工程学院，辽宁大连 116622
【正文语种】中文
【中图分类】G642.0
《化工设备机械基础》是过程装备与控制工程专业一门重要的专业基础课程。

它以力学基础、化工容器设计、典型化工设备、压力容器的使用与管理等为主要教学内容，以使学生掌握化工设备的设计、使用、管理和维护的基本知识和基本技能为教学目的。

在教学上包括工程力学基础、化工设备材料、化工容器设计三大部分内容[1]。

在三部分教学内容中，化工容器设计是重点需要掌握的内容。

在教学过程中，教师发现，对于化工设备与压力容器的受力分析，如果只是单纯的采用多媒体以及板书形式很难将化工设备的受力分析、计算与设计原理讲解清晰，学生缺乏直观的感官感受。

而且容器设计计算公式繁多复杂，学生往往通过手算并花费大量的时间进行迭代试算，才能得到比较良好的设计结果，这种方式让学生感到繁琐、枯燥且缺乏新鲜感，使学生产生了化工设备设计的畏惧心理，学习兴趣不高，从而在很大程度上影响了教学效果[2]。

同时，对授课教师而言，由于课程教学内容多、学科
交叉性强，同时涉及化工、机械、力学、材料等多方面知识的特点。

因此在教学中，如何有机的将各学科知识点横向连接，突出本课程的化工工程背景，提高学生解决工程实际问题的能力一直是本门课程教学的重点任务之一。

由此可见，为提高课堂教学效率，需要丰富教学手段，并使课程教学与实际工程问题有机地结合。

这就有必要对传统的授课模式加以改革。

在这方面。

国内高校相关教师也进行了一系列有效的改革探索，也取得了较好的教学效果[3-6]。

大连大学过程装备与控制工程专业是2008年新成立的专业，经过几年来的迅速发展，在化工设备设计方面积累了丰富的教学经验，本文依托新专业的优势，结合《化工设备机械基础》课程的特点和本专业学生的实际情况，将大型通用有限元程
序ANSYS引入到《化工设备机械基础》教学中，通过教师演示与学生自主操作，直观得到化工容器设计的相关计算结果，从而激发学生的专业学习兴趣，使学生理论联系实际，解决工程实际问题的能力得到锻炼。

化工容器广泛的应用于国民经济的各个部门，其设计、制造等环节受到国家有关法规的严格管理。

化工容器设计一直是过程装备与控制工程专业人才培养的一项基本功，其设计必须以保证化工容器安全为前提，因此需要对容器的应力和强度进行精确的分析与设计，在这方面，有限元分析软件ANSYS显示出了很好的优越性。

ANSYS 是一款以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一[7-8]。

利用ANSYS软件可以快速、方便地建立实际工程结构的有限元模型，并对模型的应力分布等特征进行分析。

对于《化工设备机械基础》课程来说，软件的应用主要包括结构应力与强度分析、热分析以及流体分析。

由于软件功能强大，一些高校在化工机械设计方面进行了应用并取得了较好的效果[9-10]。

但在教学方面的应用尚属空白。

因此，本文将有限元ANSYS软件引入到《化工设备机械基础》课程教学中。

内压薄壁容器的应力分析是本门课程重要的一个教学内容，由于薄壁容器是石油化学工业、能源工业中应用最多的化工设备之一，因此掌握此容器的应力分析方法与设计准则对本门课程其他化工容器的学习都有非常重要的借鉴作用。

本节以一个典型的内压薄壁容器为例，应用ANSYS软件对结构进行应力分析。

在分析过程中，提醒学生此问题产生的工程背景，注重分析与工程实际问题紧密结合。

通过ANSYS对结构进行建模、有限元分析，让学生掌握结构的应力分布、设计要点、计算的工程意义，并结合应用实例展开讨论，提高解决工程实际问题的能力。

而应力分析中所涉及的复杂理论推导留给学生通过自学并结合实例来解决。

实例如下：有一个化工应用的内压薄壁容器如图1所示，已知容器的材料为
Q235-A，直径500 m，壁厚10 mm，承受0.2 MPa内压，分析容器筒壁的应力
分布情况。

有限元分析过程采用GUI方式进行。

(1)建立薄壁容器数值模型。

Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>By Dimensions, 在弹出的对话框里输入250,240，点击OK。

形成模型如图2。

(2)输入材料属性，并进行网格划分。

Preprocessor>Element Type，在对话框中输入材料SHELL63。

Preprocessor>Material Props，在对话框中输入弹性模量及泊松比。

Preprocessor>Meshing>Mesh Tool，进行网格划分，完成后如图3。

(3)施加内压。

Preprocessor>Loads>Apply>Pressure>on lines。

在弹出对话框里输入内压值0.2 MPaPa，如图4所示。

(4)进行计算，并观察后处理结果。

Solution>Solve>Current LS，完成计算。

点击General Postproc>Plot Results>Nodal Solu，在弹出对话框中可以显示应力等结果，图5为圆筒应力云图。

《化工设备机械基础》作为专业基础课，在专业教学中占有非常重要的位置。

从教学实践环节入手，将ANSYS软件作为辅助教学，可以提高学生知识运用能力，同时可以提高教学效率，从而优化教学内容。

ANSYS软件进入教学后，可用简化计算过程，激发学生的学习兴趣。

通过讲解一些实例分析，可以使教学内容更加直观，加深学生对化工设备机械的设计的印象。

采用ANSYS软件作为化工设备机械基础的辅助教学，可以突出现代大型计算工程软件的作用，学生在学习理论知识的同时得到实际操作的锻炼，开阔眼界，提高对化工设备机械基础课程的学习兴趣，同时也可以为后续专业课程打下基础。

【相关文献】
[1] 喻健良.化工设备机械基础[M].大连:大连理工大学出版社，2009:1.
[2] 王维艳. 《化工设备机械基础》课程高效教学探究与实践[J]. 吉林化工学院学报,2014(06):49-52.
[3] 董俊华,赵斌,张及瑞. 化工设备机械基础课程设计教学改革探讨[J]. 化工高等教育,2011(03):17-19+108.
[4] 陈连,王元文. 化工设备机械基础教学改革的若干尝试与实践[J]. 化工高等教育,2007(01):19-21.
[5] 李体海. 谈谈化工设备机械基础的“教”与“学”[J]. 化工高等教育,2010(02):84-87.
[6] 张允,路有昌,赵凌. 《化工设备机械基础》课程教学改革的探索[J]. 广州化工,2012(04):122-123.
[7] 王亚利. ANSYS 软件在机械结构分析中的应用[J]. 价值工程, 2014(3):203-204.
[8] 谷俊斌,贾宏玉.ANSYS 软件在工程力学专业教学中的应用[J].中国冶金教育,2013(4):9-11.
[9] 朱志彬,翟丽华,李健,等. ANSYS在化工机械设计中的应用[J]. 装备制造技术,2004(01):16-20,27.
[10]唐天鹏. ANSYS在化工机械设计中的应用研究[J]. 化工管理,2014(03):19.。