四川川空换热器公司
【摘 要】阐述板翅式封头在设计工作中遇到的一些开孔率超出标准规定的问题，利用ANSYS有限元分析解决大开孔的问题。利用其参数化设计，可让一般设计人员使用，并利用应力分析对板翅式封头设计工作进行一定程度优化。
【关键词】应力分析；封头；有限元；接管；板翅式换热器
一、前言
目前，使用ANSYS软件对零部件和简单结构进行参数化设计及有限元分析已较为成熟，在设计计算领域已得到广泛应用。使用APDL对处理零部件非常有效，本文以板式换热器封头结构为研究对象，运用参数化与命令流相结合的方法建立结构模型，并对模型进行有限元分析，从而为板翅式换热器封头结构以及其结构的优化设计提供了一种快速的建模方法，解决了模型修改困难的问题。
二、基于ANSYS的有限元参数化基本思路
根据具体工程结构的设计特点与分析要求，用参数描述其特征尺寸及其它相关数据，并在建立有限元模型与分析时，以参数表征其过程，从而实现可变结构参数的有限元分析。实施时具体步骤如下:①根据模型的几何结构、特征形状抽象出描述模型的特征参数，并对模型适当简化。②建立包含实体建模、分析过程、结果处理过程的用ANSYS的命令流文件。③用APDL语言将抽象出的特征参数代替建模中的参数，构成可变参数的有限元分析。④根据设计分析要求，将参数赋于不同的特征值，并进行有限元计算分析，获取结果。前3步工作完成后，在进行结构分析时只需重复第4步就可不断获得新的有限元分析结果。
三、ANSYS命令流文件的建立和APDL参数化语言
1．ANSYS命令流文件的建立
ANSYS命令流文件是一种在模型建立过程中自动生成的.log文件，它记录了模型建立过程中的每一步操作和命令，并将这些操作转变成ANSYS命令流的形式进行保存。过对命令的修改和编辑建立进行参数化设计的ANSYS命令流文件，从而实现对同一系列板式换热器封头结构结构模型的修改。
2．APDL参数化语言
APDL是指ANSYS参数化设计语言，用来自动完成某些功能或建模的一种脚本语言。它是一种功能强大的描述性、解释性语言，它可以实现模型的参数化，可以获取ANSYS数据库信息，可以进行数学运算（包括矩阵和矢量运算），可以定义经常使用的命令或宏的缩写。
（1）定义方法
由于APDL参数定义方法很多，这里只介绍其中比较简单的三种定义方法。
①采用*SET命令定义例如*SET，LONG，10000②采用赋值号“=”定义
例如LONG=10000 HIGH=1000③GUI菜单定义定义途径：UtilityMenu＞Parameters＞ScalarParameters
（2）APDL参数的使用
APDL 定义的参数主要是用于修改模型，其中包括模型的外轮廓尺寸（如长，宽、高、各板件之间的间隔以及材料的厚度等）和模型建立过程中坐标的移动距离。模型的修改也主要是这些参数数值的变化。当我们改变这些参数的数值后，将ANSYS命令导入ANSYS命令流窗口，就可以自动生成修改后的模型。
四、ANSYS参数化结构分析的实现
4.1参数化有限元模型的建立
进入ANSYS 的前处理模块,在工具菜单中(UtilityMenu)中选择Parameters 选项下ScalarParameters 项,调出参数尺寸定义界面，将模型中需要进行参数化的尺寸依次输入定义，完成参数化过程。
在参数化模型建立后,进行正常的单元定义,实参数定义,单元划分,加载,求解工作。在这些过程进行后,通过ANSYS 的LGWRITE 命令保存命令流文件,文件名为Jobname.lgw。Jobname 为自定义的分析文件名名称。用记事本打开,可以看到操作的步骤都被一一被ANSYS 以一定的格式记录下来,对其中的尺寸定义部分进行编辑,保存文件。开始一个新的分析过程,用ANSYS 的/INPUT 命令将Jobname.lgw 文件读入ANSYS,由于是批处理文件,因此程序自动进行分析过程得到参数化尺寸编辑后的模型及其计算结果。从上述论述中,可以看到应用ANSYS的参数化模型建立功能可以方便的得到相同结构不同尺寸模型的模型结果和分析结果。
4.2板翅式换热器封头结构ANSYS有限元建模及网格划分
采用自底向上的方法构建封头的模型，即在构造模型时，首先定义关键点，再利用这些关键点定义较高级的图元(即线、面、体)。通过计算各关键点坐标，先定义各个关键点，再生成封头体的轮廓线，通过轮廓线绕轴线旋转生成外形曲面。
有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分。离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。模型进行网格划分，生成的有限元模型。
4.3 限制边界条件及施加压力载荷
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。在加载时，边界条件可直接施加在几何模型上，其优点在于当改变有限元网格而重新进行分析时，无需在节点上重新施加边界条件；而通常的做法是将边界条件加载在有限元模型上，这样当改变有限元网格时，必须先删去现有节点上的边界条件，再施加新的载荷，以保证加载的准确性。
4.4 求解及后处理
我们选择软件默认的直接解法，它只寻求分析的稳定性，并不强调求解的速度，而且对计算机的内存要求不高，在求解器处理每个单元时，同时进行整体矩阵的组集和求解。后处理是将计算所得的结果可视化。ANSYS 有两个后处理器：通用后处理器，它只能观看整个模型在某一时刻的结果；时间历程后处理器，可观看模型在不同时间的结果。本文采用通用后处理器进行求解。如图：
五、结论
完成板翅式换热器封头参数化结构设计的关键是建立合理的有限元模型，并且熟悉ANSYS参数化设计语言。对于使用者来说，只要按部就班地输入参数，因此，即使对于ANSYS不熟悉的普通设计人员也能利用此方法实现封头参数化设计。在ANSYS环境下，基于APDL语言，实现了板翅式换热器封头结构参数化建模。这种方法也是对封头进行优化设计的有效方法，可广泛应用于封头的优化设计中。
参考文献：
叶先磊.史亚杰编著 《ANSYS工程分析软件应用实例》2003年
李建国编著 《压力容器设计的力学肌醇及其标准应用》2004年
论文作者:袁俊杰
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第6期
论文发表时间:2016/8/17
标签：参数论文; 模型论文; 有限元论文; 结构论文; 定义论文; 命令论文; 封头论文; 《低碳地产》2015年第6期论文;