基于VB和ANSYS参数化建模的高压加热器应力分析和强度评定

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(北京化工大学 机电工程学院，北京 100029)

0 引言

高压加热器是利用汽轮机的部分抽气对给水进行加热的装置，其主要应用于大型火电机组回热系统，通常在高压、管壳程高温差等高参数工况下工作，确保设备安全长周期运行是设计人员的首要任务[1-3]。目前的换热器设计多依据GB/T 151—2014《热交换器》进行[4]，这种设计方法虽然简单实用，但许用应力范围较小，适用于35 MPa以下的压力容器，而且对于高压加热器设计结果过于保守。此外，换热器强度设计还可采用分析设计方法，即依据JB 4732—2005《钢制压力容器——分析设计标准》进行。该设计方法按对容器强度失效影响程度的不同将应力进行分类，并在强度校核时区别对待。应该说，按该方法设计更科学合理，也更加经济。本文研究的高压加热器为高压设备，其管程压力较高，甚至高达40 MPa，已经超出常规设计的范围，并且由于压力较高，承压部件较厚，其管板往往可达几百毫米。考虑到以上原因，针对高压加热器采用分析设计的方法，以确保安全性和经济性。

压力容器的分析设计常常采用有限元分析方法，即使用有限元软件用数学近似的方法对真实的物理情况进行模拟仿真，该软件操作难度大，对设计人员数值分析技术要求高。目前在压力容器分析设计中，ANSYS是使用最广泛的有限元分析软件之一[5]。ANSYS有3种建模方式：参数化设计语言APDL、用户图形界面设计语言UIDL及用户可编程特性UPFS。当求解模型需要不断更改时，APDL所特有的智能分析功能，可以自行设置变量并赋值，通过简单地改变模型中的某些参数值就可以建立和分析一个新的模型。但是APDL的交互性不够流畅，对分析人员要求较高。为此，将程序语言与APDL语言结合起来，编写出参数化的用户界面，使ANSYS的建模过程可视化，既保留了APDL语言便于修改的优点，又解决了APDL语言交互性差的问题。对此，已有不少人进行了这方面的研究和实践。何慧慧等[6]利用VB和ANSYS，开发了多功能的螺旋板换热器CAD系统，实现了螺旋板换热器自动画图、自动分析、倒锥形端盖分析设计一体化。陈进等[7]针对某种风力机叶片，建立了叶片优化模型，用MATLAB和ANSYS建立了复合材料参数化叶片模型，通过改进的粒子群算法实现其优化过程，研究发现，相比于最初的叶片，质量减轻12.58%。马宁等[8]用VC封装ANSYS，建立了埋地管道应力分析模型，解决了建模过程不直观等问题，应用结果表明，该软件便于操作，且提高了埋地管道应力校核效率。

高压加热器大小可以不同，但结构基本相同。本文以某种高压加热器为对象，利用ANSYS的APDL语言将建模分析过程全参数化，改变各个自由参数的数值便可建立全新的模型；以VB作为工具，开发界面友好、操作方便的人机交互界面；对ANSYS的APDL语言进行后台封装[9]。用户只需在前台界面的引导下输入必需的结构尺寸、材料性能和载荷参数，即可调用后台的ANSYS命令建立高压加热器有限元分析模型、进行应力分析，并将分析结果返回给用户进行后处理。

1 高压加热器有限元参数化模型的建立

1.1 高压加热器的结构及有限元几何模型

(a)外视图

(b)内视图

本文采用实体单元进行网格划分和应力分析。为保证网格的规整，采用六面体网格，管板、壳体、封头、接管和换热管均使用扫略的网格划分方式。

1.2 约束与载荷

高压加热器通常有2个或3个支座，用户可根据实际情况自行选择支座数量，通常情况下，管板处的支座为固定支座，施加全约束，而其余支座为滑动支座，不约束轴向位移，见图2。

图2 模型约束示意(整体)

对于U形管换热器，没有管子和壳体之间因温差而产生的热应力，因此所考虑的载荷为设备的壳程设计压力和管程设计压力。强度校核时考虑最危险载荷工况[11]，因不考虑温差载荷，故最危险载荷工况有：工况1(只有壳程内压作用)；工况2(只有管程内压作用)。

1.2.1 工况1(只有壳程内压作用)

壳程内压施加在壳程筒节、管板壳程侧表面、椭圆封头内表面和换热管外表面，方向沿着所施加面的法向，管程侧不施加压力；同时，各接管除内表面承受内压外，还承受压力引起的等效接管载荷。

1.2.2 工况2(只有管程内压作用)

管程内压施加在管程管箱侧、管板管程侧表面和换热管内表面及换热管端面载荷，方向沿着所施加面的法向，壳程侧不施加压力；同时，各接管除内表面承受内压外，还承受压力引起的等效接管载荷。

1.3 高压加热器有限元分析结果的提取及强度评定

本文依据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》对高压U形管式换热器进行强度评定，为此提取的有限元分析结果包括各工况作用下换热器的整体应力强度分布、所需校核部位的局部应力强度分布、应力线性化路径及应力线性化结果。下面以接管为例，介绍应力线性化路径的设定。

在接管与封头或壳体的连接部位往往存在应力集中，即出现局部最大应力，为此在开孔处设立3条路径，在接管外伸段存在一次整体薄膜应力，设立1条路径，如图3所示。

A-接管连接处对角线路径；B-接管焊缝处路径；C-接管内角处路径；D-接管外伸段路径

按照应力产生的原因和应力作用区域、分布形式对应力线性化后得到的膜应力强度和膜加弯应力强度进行应力分类，并和相应的许用值进行比较，完成强度评定[12]，具体过程这里不作赘述。

2 高压加热器的VB程序界面设计

2.1 程序分析流程

ANSYS的标准化分析过程由4部分组成：ANSYS的启动、创建有限元分析模型、施加载荷并求解、查看分析结果。

图4 程序工作流程

为使ANSYS正常运行并计算出结果，需要以下几种参数：ANSYS的启动参数，其中包括ANSYS安装路径与存储分析过程文件结果的分析目录；组成模型形体的几何参数以及模型各部分对应的材料参数；加载和边界条件参数；以参数化形式保存的结果数据。程序的具体工作流程如图4所示。用户输入所需参数后，由程序自动启动ANSYS，读取生成的命令流文件，自行分析计算，并将分析结果读取到结果界面中。

2.2 程序界面设计

在ANSYS分析的前处理阶段，用户输入启动参数、模型几何参数与材料参数。参数输入界面利用VB的frame控件，将每个类型的参数分隔开，做到清晰简洁。通过界面文字标签以及文本框将参数输入，保存到程序的参数变量中，供生成APDL命令流时调用。

根据程序工作流程图(见图4)，按系统功能划分为6个界面：ANSYS启动参数与工作目录输入界面、高压加热器的模型构建参数输入界面、总体应力云图输出界面、局部应力云图输出界面、应力线性化结果输出界面、已定义路径的全部结果读取界面[13-14]。

2.3 VB对ANSYS的封装

2.3.1 VB与ANSYS之间的参数传递

在分析系统中，首先通过VB窗口将数值赋给指定参数，然后生成带有参数的文本文件，再将其以APDL语言的形式自动写入ANSYS程序，例如：

Open 文档设置.工作路径.Text & APDL.Text & ".txt" For Output As #1

Print #1，"*SET,Rad1,";Text1.Text

Print #1，"*SET,T1,";Text2.Text

Print #1，"*SET,L1,";Text3.Text

其中，“Open……As #1”语句，是在路径为“文档设置.工作路径”目录下创建文件名为“APDL”的文本文件；“Print #1，"*SET,Rad1,";Text1.Text”是将Text1控件内的数值赋值给Rad1。

2.3.2 VB对ANSYS的调用

VB通过shell函数来实现对ANSYS程序的调用[15]，并将自动生成的文本文件导入ANSYS，实现模型的自动建模与分析过程。例如，当ANSYS的安装路径为E:ANSYSANSYS Incv170ansysinwinx64ANSYS.exe时，工作路径为C:UsersadministratorDesktop，文件名为APDL，VB调用ANSYS的关键编程语句如下：

Dim X As Long

X=Shell("E:ANSYSANSYSIncv170[ansys]inwinx64ANSYS.exe-b-p ansys-dir-i

C:UsersadministratorDesktopAPDL.txt-o C:UsersadministratorDesktopAPDL.out",1)

为保证软件在不同电脑之间的通用性，将ANSYS的安装路径与任务的工作路径作参数化处理，VB调用ANSYS的关键编程语句修改如下：

Dim X As Long

X=Shell(文档设置.安装路径.Text & "-b-p ansys-dir "&文档设置.工作路径.Text & "-i " &文档设置.工作路径.Text &文档设置.文件名.Text & ".txt" & "-o "&文档设置.工作路径.Text &文档设置.文件名.Text & ".out"，vbMinimizedFocus)

上述代码使程序自动调用ANSYS并导入命令流文件，运行时产生的工作文件储存在工作目录下，计算完成后在工作目录生成数据库文件。

3 高压加热器参数化数值分析实例演示

(1)填写工程文件名。ANSYS安装路径与工作目录如图5所示。

图5 工作目录及ANSYS安装路径

(2)点击“下一页”，弹出“U形管式高压加热器参数化自动建模程序”界面，依次输入参数(如图6所示)。

图6 参数输入界面

参数输入完成后，输入约束条件并选择工况，点击“确认计算”(如图7，8所示)。

图7 约束输入界面

(3)当任务栏中ANSYS进程结束时，计算完成。应力分析结果分别以图片和文本形式输出给用户。在VB界面内点击“查看结果”按钮，弹出“该工况下总体应力云图”界面(如图9所示)。该界面包含整体应力云图与5个部件按钮。5个按钮分别对应管板、壳程进水口、壳程出水口、壳体、壳程封头等5个部件。下面以管板为例，演示运行步骤。

图8 工况选择界面

图9 高压加热器总体应力强度分布云图

若想查看某个部件的某位置应力线性化结果，则选择该部件。例如，想查看管程进水口的应力线性化结果，点击“管程进水口”按钮，即可弹出“管程进水口应力云图”界面(如图10所示)。继续操作可得到管程进水口路径的应力线性化结果(如图11所示)。

图10 管程进水管应力强度分布云图

图11 管程进水管-ph1应力强度计算及校核结果

4 结语

鉴于高压加热器压力高、质量大，往往需要进行分析设计的情况，本文基于ANSYS的APDL语言可参数化的特性，结合VB的交互界面，利用VB对ANSYS的封装，开发了高压加热器的建模和分析软件。该软件具有参数化自动建模、自动分析、自动读取结果和自动进行强度评定的功能，降低了设计人员采用有限元法对高压加热器进行数值分析的难度，也为高压加热器的轻量化设计奠定基础。