基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

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)010026—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]。

2ANSYS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。

3U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一2．0×10Mpa，泊松比为0．3，密度为7．8t／m，设计压力为31．4MPa，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。一0．54E，V=0．36。综上所述，所得简化分析模型如图2所示。

图2U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：