基于ANSYS的保温桶结构优化分析

高帅，何毅斌，王彦伟，甘沐阳，赵德顺，李会在



基于ANSYS的保温桶结构优化分析

高帅，何毅斌*，王彦伟，甘沐阳，赵德顺，李会在

（武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

针对保温桶在保温过程中存在保温效果不明显或浪费保温材料等问题，以陶瓷为保温材料的保温桶为研究对象，通过建立保温桶和保温层的三维立体模型，利用仿真软件ANSYS对三维模型进行有限元分析。并对保温桶的结构设计进行优化分析，通过改变保温层厚度研究得到保温桶内外温度与厚度之间的数值关系，且获得相关函数曲线。研究结果表明，在不影响保温桶保温性能的前提下，通过优化保温桶的厚度，可以有效降低保温桶的整体重量，当保温桶的厚度为4 mm时最优，质量降低了原来的18%。

ANSYS WorkBench；保温桶；陶瓷厚度

保温桶是由一大一小的两层不锈钢材料加上保温层制成的保温容器，其中保温层的作用是阻止保温桶内的热量与外界进行热量交换，这就需要保温材料具有着良好的保温性能和较高的抗热疲劳能力。目前，市场上使用的保温容器基本采用陶瓷保温材料，但是，有很多保温桶投入市场之后，便出现质量过重，携带不方便等问题。这些问题往往是由于保温桶在设计、制造过程中，保温桶的参数选取不当造成的[1]。本文以陶瓷保温桶为研究对象，通过对保温材料的厚度参数进行结构优化分析，从而降低保温桶的整体重量。

1 保温桶模型的分析

1.1 桶体分析及其模型简化

设计工作者一般选取的保温层厚度为5 mm[2]，由于保温桶的桶壁厚度过大，给人们的生活造成了很大不便，同时，加工材料较多，增加了制造成本。针对上述问题，在保持保温效果不变的情况下，对保温桶的厚度参数进行优化分析，使其有效降低保温桶的重量。

由于保温桶为几何对称模型[3]，在分析过程中，为减少建模、划分网格的工作量及有限元计算量等因素，将保温桶模型进行了简化。

保温桶主要包括内、外两层不锈钢层及保温陶瓷材料。已知保温陶瓷主要为砂浆陶瓷[4]，其导热系数为0.93 W/m·K，厚度＝5 mm；不锈钢的导热系数为60.5 W/m·K，厚度＝1 mm。

保温桶的简化模型利用ANSYS进行网格划分[5-6]，将该模型划分为60253个节点、12960个单元，如图1所示。

图1 保温桶三维简化模型与网格划分

1.2 保温桶有限元分析

在有限元分析过程中，保温桶表面的不锈钢与外界大气的对流系数为25 W/mm2·℃，设置内表面不锈钢的热载荷为100 ℃，并放置于外界环境温度25 ℃进行模拟实验。

通过网格的划分、施加载荷过程，对保温桶模型进行有限元分析，可以得到保温桶温度梯度云图，如图2所示。

图2 保温桶温度梯度云图

2 保温层结构的优化分析

2.1 保温层的实验研究

由图2可得，保温层温度云图的变化说明了该保温桶的保温层有较好的保温效果。通过对保温桶结构的分析，进一步优化保温桶的重量。在保温桶的优化分析过程中，通过改变保温桶的厚度参数，对比内外测温度的差异，如表1所示。

2.2 实验结果分析

根据表1，建立如图3所示坐标系，并对相应的点进行了曲线拟合。

表1 保温层内外温度的变化情况

从表1中的实验数据得，保温层厚度在1～5 mm时，保温层内层的温度从97.8 ℃升高到99.5 ℃，增幅为1.7%，保温层外层的温度从27.1 ℃降低到25.4 ℃，降幅为6%。由此说明，在保温桶正常工况下，该保温桶的保温系数随着保温层厚度的增加而大幅提高。而在保温层厚度为5～7 mm时，内层温度由99.5 ℃升高到99.7 ℃，增幅0.2%；外层温度由25.4 ℃降低至25.3 ℃，降幅为0.4%。在厚度5～7 mm时，保温效果的变化不明显，同时，考虑到保温桶的重量，因此，厚度调为5～7 mm的方案不可取。

对方程组求导可得出保温层内外温度与厚度之间的变化率曲线，如图4所示。

图4 温度随厚度的变化率

根据图4（a）可得，内层温度随厚度的增加，其温度的变化率逐渐降低。当保温层厚度为4～5 mm时，内层温度趋于平稳，达到稳定值。由图4（b）得，外层温度随厚度的增加，其温度的变化率也逐渐降低，当保温层厚度为4～5 mm，外层温度趋于稳定。

综上分析可得，保温桶保温层厚度为4 mm左右时，保温层的保温效果达到最佳，与优化之前的保温桶进行比对，如表2所示。

表2 优化前后保温效果比对

3 结论

针对保温层内外两侧的温度，将厚度设置为参数变量，通过改变保温层的厚度，得到保温层厚度与其内外层温度的函数关系曲线，从而推导出最优的保温层厚度为4 mm。通过对保温桶整体结构的优化，使重量降低了18%。

[1]马静敏，范云霄. 基于ANSYS WorkBench的太阳能热水器支架优化设计[J]. 轻工机械，2011（4）：97-101.

[2]陈莎莎，呼格吉乐. 智能保温饭盒的设计与研究[J]. 无线互联科技，2014（11）：94.

[3]蒲广益. ANYSYS WorkBench基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2013.

[4]李兵，何正嘉，陈雪峰. ANSYS WorkBench 设计、仿真与优化[M]. 北京：清华大学出版社，2008.

[5]严升明. 机械优化设计[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[6]李瑞，芮延年，尹纪财. 基于ANSYS-APDL的真空氮炉体结构的优化设计[J]. 机械设计与制造，2011（9）：43-45.

The Structural Analysis and Optimization Design of Insulation Barrels

GAO Shuai，HE Yibin，WANG Yanwei，GAN Muyang，ZHAO Deshun，LI Huizai

( School of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China )

In order to solve the problem that the insulation effect is not obvious or the insulation material is wasted in the process of keeping the insulation, the three-dimensional model of the insulation barrel and the insulation layer is established by using the ceramic as the insulation material of the insulation material. To verify the insulation barrel has a better insulation effect, the simulation software ANSYS is used to analyze the three-Model for finite element analysis. Finally, the structural design of the insulation barrel is optimized and the temperature and thickness of the insulation layer are obtained. The results show that the overall quality of the insulation barrel can be effectively reduced by optimizing the thickness of the insulation barrel without affecting the insulation performance of the insulation barrel. When the thickness of the insulation barrel is 4mm, the quality is reduced to 18%.

ANSYS WorkBench；the heat insulation barrels；the thickness of the insulation barrels

TP399

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.009

1006－0316 (2018) 05－0033－04

2017－09－04

湖北省教育厅科学技术研究计划重点项目——高速电主轴动态与热态特性分析及多学科设计优化（D20161506）

高帅（1992－），男，山东莱芜人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计优化和有限元分析。

何毅斌（1966－），男，湖北武汉人，博士（后），教授、硕士生导师，主要研究方向为机械零件故障诊断分析研究、机械设计仿真优化分析。