（机械设计及理论专业论文）加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 加氢反应器是炼油行业中加氢装置的关键设备，其操作条件十分苛刻，通常在高温高压的 环境下工作，操作中存在很大的机械应力与热应力，因此对其设计制造要求十分严格，其安全 性必须得到保证。然而目前的设计和分析工作主要依靠手工完成，重复性工作量很大、效率较 低。为了提高加氢反应器的设计水平和效率，本文应用有限元分析和参数化二次开发技术等现 代设计理论与方法，对加氢反应器群座和接管补强结构进行了系统的研究，编制了实用的参数 化设计和有限元分析软件。 本系统最大的特点是对象系列化和功能多样化。本系统可以完成泡罩塔群座和浮阀塔群座 的机械应力分析、温度场分析、热应力分析、综合应力分析、应力评定和优化设计。而且可以 对开孔接管无补强和有补强结构进行对比分析。同时，本系统还增设了辅助设计模块。 本文研究了a n s y s 二次开发工具a p d l 与v c 抖的嵌套技术，对v c + + 调用a n s y s 的方 法、接口函数进行了阐述。建立了友好的人机交互界面，完成了提取界面输入的参数自动生成 a p d l 批处理代码文件的过程，利用v c + + 封装自动生成的a p d l 命令流，并将a p d l 命令流 文件自动读入a n s y s 进行有限元分析，替代了传统的a n s y s 人机交互的g u i 方式，避免了 建模与分析转换过程中的信息流失，大大的提高了建模和有限元分析的工作效率及可靠性。最 后以接管有补强结构为例进行了系统运行演示，验证了系统的可行性与正确性。 关键词：加氢反应器，a n s y s ，a p d l ，v c + + ，参数化，系列化 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 a b s t r a c t h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri st h ek e ye q u i p m e n ti nt h eh y d r o g e n a t i o nu n i to ft h eo i lr e f i n i n gi n d u s t r y i tu s u a l l yw o r k si nt h ee n v i r o n m e n to fh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r ew h i c hi sv e r yh a r s h a n d t h e r ei sb i gm e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h e r m a ls t r e s si nt h eo p e r a t i o n ，w h i c hr e l a t e dt ot h es a f e t yo ft h e e n t i r ed e v i c e t h e r e f o r e ，h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n t sa r et o o s t r i c t ，s ot h es a f e t yo fi tm u s tb eg u a r a n t e e d h o w e v e r , t h ec u r r e n tw o r ko fd e s i g na n da n a l y t i c a la r c m a i n l yr e l yo nm a n u a l ，w h i c hi ss or e p e t i t i v ea n di n e f f i c i e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g nl e v e la n d e f f i c i e n c yo ft h eh y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ，t h ep a p e rh a v em a d eas y s t e m i cs t u d yt ot h eh y d r o g e n a t i o n r e a c t o ra n dd r a w su pp r a c t i c a lp a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r eb yu s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dp a r a m e t r i cf u r t h e r - d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t h es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yt h eo b j e c ts e r i a l i z a t i o na n df u n c t i o n a ld i v e r s i t y t h i ss y s t e mc a n c o m p l e t e t h em e c h a n i c a ls t r e s s a n a l y s i s ，t e m p e r a t u r e f i e l d a n a l y s i s ，t h e r m a l s t r e s s a n a l y s i s ， c o m p r e h e n s i v es t r e s sa n a l y s i s ，s t r e s sa s s e s s m c n ta n do p t i m a ld e s i g no ft h et h es k i r ts u p p o r t i n gz o n e f o rt h eb u b b l e - c a pt o w e ra n dt h ef l o a tv a l v et o w e r a n di ta l s oc a l lf i n i s ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so n t h es t r u c t u r eo fo p e n i n gr e i n f o r c e m e n ta n dn o n - r e i n f o r c e m e n ts t r u c t u r e s a tt h es a m et i m e ，aa i d e d d e s i g nm o d u l e i sa l s oa d d e dt ot h i ss y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h en e s t i n g - t e c h n i q u eb e t w e e na p d lo f t h ea n s y s s e c o n dd e v e l o p i n gt o o l a n dv c + + ，n l em e t h o da n di n t e r f a c ef u n c t i o n sf o rv c + + c a l l e da n s y sw e r ea l s os t u d i e d i t e s t a b l i s h e daf r i e n d l yi n t e r f a c eo fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，c o m p l e t i n gt h ep r o c e s so fg e n e r a t i n g a p d lb a t c hc o d ef i l e sa u t o m a t i c a l l yt h r o u g he x t r a c t i n gt h ei n p u tp a r a m e t e r so fi n t e r f a c e a n dt h i s s y s t e mm a k eu s eo fv c + + t oe n c a p s u l a t ea p d l ，t h e n i tc a na u t o m a t i c a l l yr e a dt h ea p d lo r d e r si n t o t h ea n s y st o c o m p l e t et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw h i c hi n s t e a do ft h em e t h o do fg u ii n h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n t h i sa v o i d t h ei n f o r m a t i o nl o s ei nt h ep r o c e s so ft h ec o n v e r s i o nb e t w e e n t h em o d e l i n ga n da n a l y s i sa n dp r o m o t et h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t yo fm o d e l i n ga n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a tl a s t ，t a k et h es t r u c t u r eo fo p e n i n gr e i n f o r c e m e n tf o re x a m p l et oc o m p l e t e t h es y s t e md e m o n s t r a t i o nw h i c hv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h es y s t e m k e yw o r d s ：h y d r o g e n a t i o nr e a c t o r ，a n s y s ，a p d l ，v c + + ，p a r a m e t e r i z e d ，s e r i e s 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 加氢反应器结构简图3 图1 2 系统自动完成功能图示5 图2 1 浮阀塔群座参数化设计图9 图2 2 接管无补强参数化设计图。9 图3 1 泡罩塔h 型锻件结构示意图2 0 图3 2 浮阀塔h 型锻件结构示意图2 0 图3 3 泡罩塔裙座机械应力计算模型2 l 图3 4 浮阀塔裙座机械应力计算模型2 l 图3 5 泡罩塔群座机械应力云图2 l 图3 6 浮阀塔群座机械应力云图2 1 图3 7 泡罩塔群座增设保温层结构模型2 4 图3 8 浮阀塔群座增设保温层结构模型2 4 图3 9 泡罩塔群座温度场分析云图2 5 图3 1 0 浮阀塔群座温度场分析云图。2 5 图3 1 l 泡罩塔群座热应力云图2 6 图3 1 2 浮阀塔群座热应力云图2 6 图3 1 3 综合应力分析流程图2 6 图3 1 4 泡罩塔群座综合应力分析。2 7 图3 1 5 浮阀塔群座综合应力分析。2 7 图3 1 6 泡罩塔群座综合应力变形分析。2 7 图3 1 7 浮阀塔群座综合应力分析。2 7 图3 1 8 群座应力评定路径图3 0 图3 1 9 局部补强结构形式。3 2 图3 2 0 接管无补强结构截面图3 4 图3 2 l 接管有补强结构截面图3 4 图3 2 2 接管无补强焊缝组件结构图3 4 图3 2 3 接管有补强焊缝组件结构图3 4 图3 2 4 接管无补强应力云图i 3 5 图3 2 5 接管有补强应力云图3 5 图4 1 泡罩塔群座优化设计原理流程图3 8 图4 2 优化序列最优解4 0 图4 3 设计变量变化规律图4 0 图4 4 状态变量随优化次数的变化规律图4 0 图4 5 质量目标函数随优化次数的变化规律图4 l 图4 6 分析变量变化规律对比图4l 图4 7v c 抖与a n s y s 的嵌套技术流程图4 2 v 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 图5 1 系统开发环境图5 0 图5 2 系统界面功能结构图5 0 图5 3 系统主界面。5 l 图5 4 手动输入参数分析对象选择界面51 图5 5 优化设计选择界面5 l 图5 6 辅助设计选择界面5l 图5 7 界面区域划分结构图5 2 图5 8 泡罩塔群座机械应力分析界面5 3 图5 9 浮阀塔群座温度场分析界面5 3 图5 1 0 泡罩塔群座热应力分析界面5 3 图5 1 l 浮阀塔群座综合应力分析+ 应力评定界面5 4 图5 1 2 手动接管无补强分析界面5 4 图5 1 3 开孔接管补强分析界面5 5 图5 1 4 标准数据库输入参数袍罩塔机械应力分析界面5 5 图5 1 5 泡罩塔机械应力分析优化设计界面。5 5 图5 1 6 群座区辅助设计界面5 6 图5 1 7 接管补强辅助设计界面。5 6 图5 18 系统功能结构图5 6 图5 1 9 对象系列化结构图5 7 图5 2 0 分析方式多样化结构图5 7 图5 2 l 开孔补强分析参数输入界面5 8 图5 2 2 查看接管补强应力云图5 9 表1 1 我国加氢反应器的发展历程4 表2 1 浮阀塔群座参数表。8 表2 2 接管无补强参数表。9 表3 1 应力最大值对比表2 7 表3 2 部分典型情况的应力分类3 0 表3 3 应力评定结果3 1 表4 1 优化设计前后各参数对比情况4 l 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 艿圆筒厚度 c 厚度附加量 瓯 封头厚度 盯f 内压下壳体应力 吼 操作压力引起的轴向应力 疋 圆筒或球壳的有效厚度 吒 重力引起的轴向应力 瓦 圆筒或球壳的名义厚度 o 3 弯矩引起的轴向应力 仃e 内压加热时校核外壁组合应力 彳计算截面的横截面积 o o | 外壁温度应力 z 计算截面的断面系数 口 平均壁温下材料的线膨胀系数 m 。 最大弯矩 平均壁温下材料的泊松比 m w 风弯矩 e 筒体端部以面力 m e 地震弯矩 三， 浮阀塔群座向右偏距 e 垂直地震力 s f 。 浮阀塔群座最大应力 p c 设计压力 品一 泡罩塔群座最大应力 仃 圆筒或球壳材料的许用应力 己： 一次总体薄膜应力 皿 圆筒或球壳的内直径 吃 一次局部薄膜应力 p 焊缝系数 q 二次应力 k 外径与内径的比值 s m 设计应力强度 m 0 计算截面以上塔的操作质量 g y 接管横截面上均布边界载荷 吼 圆筒或球壳材料的屈服极限 吼 简体横截面上均布边界载荷 4 补强面积 s w 。 接管无补强最大应力 死 接管名义厚度 一 接管有补强最大应力 f 。 强度消弱系数 厂伍) 优化设计目标函数 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 亟盔垫丑 日 期： 翌! ：u 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 加氢反应器是炼油行业中加氢装置的关键设备，其操作条件十分苛刻，通常在高温高压临 氢及硫化氢等腐蚀的介质中操作【1 】，其安全运行与否关系到整个装置的生产安全，因此对其设 计制造要求十分严格，其安全性必须得到保证。传统的设计中，是采用简化模型进行粗略的结 构计算分析，甚至是凭经验进行估算，得到的结果可信度不高。而利用有限元软件进行传统的 建模加载计算，可以得到理想的结果，可是面对设计方案的频繁改动，需要修改复杂的有限元 模型，甚至重建模型，载荷的加载也是手动人工加载，在变换载荷参数后需要重复以上的加载 工作，所以重复性工作量大，分析周期长，效率低下，难以适应现代企业快速制定方案的要求。 为能在短期内设计出符合客户要求的产品，有必要设计一套专用的加氢反应器参数化设计与有 限元分析系统，把设计人员从繁重的重复工作中解放出来，本课题正是在此背景下提出来的。 论文针对实际设计工作的需要，基于a n s y s 软件进行了w i n d o w s 环境下面向对象的参数化建 模与有限元分析系统的研究。 1 2 加氢反应器发展概况 加氢工艺于1 9 2 7 年在工业上得到应用，该过程具有工艺流程简单，生产灵活性大，产品产 量高，质量好等特点【2 】，但由于高压设备供应困难，耗用合金钢材多，投资大，在石油炼制中 没有得到迅速发展。加氢裂化是指烃类在高压氢气和催化剂存在的条件下转化为低分子量产物 的过程，这是炼油技术的重要成就。为获得高质量的石油加工产品、适应含硫原油、劣质原油 深加工的需要及满足改善环境条件等目的，现代化石油加工工业中出现了加氢工艺装置。与此 同时，加氢反应装置中的关键设备热壁加氢反应器的设计、制造技术也有了长足的进步。加氢 反应器分为加氢精制反应器和加氢裂化反应器。加氢反应器在加氢工艺中的作用就是为原料油 和氢气在催化剂、温度和压力条件下进行反应提供场所。 1 2 1 加氢反应器的工作环境 加氢反应器工作于4 0 0 以上、2 0 m p a 左右压力的高温高压临氢条件下，进入反应器内的 物料往往含有硫、氮等杂质，将与氢反应生成具有腐蚀性的硫化氢和氨。加氢反应是放热反应， 在反应过程中生成很高的反应热( 6 3 0 8 4 0 k j k g ) ，使床层温度升高，为了不出现局部过热现 象，在正常操作时需要间断的向反应器内通入温度为1 3 5 1 2 的急冷氢，来降低反应温度。氢气 流量用氢油比表示，氢油比高有利于加快反应速度，提高转化率，延长催化剂的使用寿命，但 是能量消耗大，所以综合考虑各种因素，氢油比限制在1 0 0 0 2 0 0 0 之间【3 1 。 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 1 2 2 加氢反应器的结构发展过程 目前国内外较为成熟的加氢反应器主要有三种结构形式：整体锻焊式、单层卷板式及多层 组合式。从结构形式上说，反应器本体从使用单层壁开始，随着加氢反应器大型化的需要，在 厚板质量得不到保证的前提下，曾经出现过多层容器结构。后来由于厚钢板和大锻件技术的出 现，到7 0 年代中期，多层结构就不再使用。到7 0 年代后期，由于冶炼、锻造结构技术的进步， 单层锻造结构或厚板卷焊结构的反应器又逐渐占领统治地位。为了解决氢蚀、硫化氢腐蚀及过 热等问题，起初加氢反应器的器壁结构采用了反应器内表面加衬隔热层的冷壁结构，或送入温 度不高的氢气，以达到保护反应器不直接受高温高压氢腐蚀的一种所谓的带“瓶衬”的冷壁结 构。这种形式的反应器内的隔热层占据了内壳的空间，减少了反应器容积的利用率，浪费了材 料。另外，由于冷壁反应器内的非金属隔热层在介质的冲刷下或在温度的变化中极易损坏、脱 落，造成了反应器的不安全隐患【4 】。而热壁反应器不具有上述的缺点，可以保证长周期安全运 行。因此，随着冶金技术和堆焊技术的进步，冷壁反应器逐步被热壁反应器所取代。到6 0 年代 末和7 0 年代初，国外基本上采用了热壁结构加氢反应器。8 0 年代后期国内也相继研制出热壁 加氢反应器，在新建的加氢装置中也采用了热壁结构的反应器【5 】。热壁结构与冷壁结构比较有 以下优点： 1 热壁加氢反应器器壁相对不易产生局部过热现象，从而可以提高生产的安全性。冷壁结 构在生产过程中隔热衬里较容易损坏。热流体渗到壁上导致器壁超温使安全性受到威胁，被迫 停工。 2 热壁结构可以充分利用反应器的容积，其有效面积利用率( 反应中催化剂装入体积与反 应器容积的比值) 可达到8 0 9 0 ，而冷壁结构一般为5 0 6 0 。 3 热壁结构施工周期短，生产维护方便。 根据加氢反应器的操作条件，加氢反应器一般结构细长，采用球形封头。其工作原理是： 氢气和原料油按照一定的氢油比从顶端的进口管进入加氢反应器，经入口分配器均匀分布在反 应器的催化剂上，在催化剂床层中发生反应。由于该反应是放热反应，为了调节反应器的温度， 从一侧的冷氢管加入冷氢，冷氢与油气在冷氢箱内充分混合，以吸收反应热，避免反应器超温。 加氢精制的过程是分段进行的，经过多段催化反应，生成的成品油经反应器下端的出口收集器 从出口管流出，底部的卸料管用于停工时卸料。 1 2 3 加氢反应器的国产化 加氢反应器是炼油行业中加氢装置的关键设备，其操作条件十分苛刻，通常在高温高压临 氢及硫化氢腐蚀的介质中操作，其安全运行与否关系到整个装置的安全生产，因此对其设计制 造要求十分严格。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 1 加氢反应器结构简图 在我国，加氢反应器的研究起步较晚，早期以引进国外产品为主，在工程技术人员的共同 努力下，大约从7 0 年代中期我国开始自行研制加氢反应器，到目前为止，已取得了不小的成就 1 6 1 。到1 9 7 7 年，国内采用热壁结构制造加氢反应器发展十分迅速，并取得了一定的成果。为 加快我国炼油工业的步伐，提高油质的品位， “七五”期间国家将热壁加氢反应器的研制列为 重大技术装备攻关项目之一1 7 j 。1 9 8 9 年3 月制造出我国自行研究、自行设计、利用国产材料自 行制造的第一台锻焊结构热壁加氢反应器。上海锅炉厂、第一重型机械厂和兰州石油化工机器 厂等单位，从1 9 8 8 年开始从事锻焊结构热壁加氢反应器的研制工作，己研制成功4 0 0 t 和6 0 0 t 锻焊结构热壁加氢反应器【8 】。上海锅炉厂承制的5 6 0 t 加氢裂化反应器，是到1 9 9 7 年为止国内 制造成的技术要求高、单件最大、最重的加氢反应器。它的制造成功，使后来6 0 0 t 级的热壁加 氢反应器可立足于国内，对今后石油化工用大型高压容器国产化具有重要意义p j 。 自从我国自行研制、开发出第一台加氢反应器后，迄今为止国内市场已有上百台加氢反应 器，初步实现了国产化。为获得更好的经济效益，目前加氢反应器的制造正趋于大型化。1 9 9 0 年日本制钢所为加拿大建造了两台质量均为7 4 0 t 的h o i l 重质油加氢裂化反应器，这是装置大 型化的先驱【1 2 l 。我国首台1 4 l 万吨加氢裂化装置关键设备锻焊结构干吨级热壁加氢反应器 已由一重集团公司制造完工，其单台重量分别为9 6 0 t 和7 8 0 t 单件全长3 6 m ，它标志着一重已 成为目前世界上3 个具备生产千吨级加氢反应器的公司之一【1 3 - 1 4 l 。 3 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 表1 1 我国加氢反应器的发展历程 鎏变 代别 时期技术特征备注 第一代1 9 7 2 年前开发初期 第二代7 3 年一8 0 年改进期 第= 代 8 1 年一8 8 年成熟期 第四代 8 8 年一现在 更新期以开发新的c r - m o 钢为标志 目前我国制造加氢反应器的技术实力已有很大提高，主要体现在： 1 制造能力与大型化进展较快。近年来我国已经设计制造了内径4 2 m 和质量l k t 的大型加 氢反应器，其制造周期也在缩短，由过去的1 6 1 8 个月，到现在的1 3 个月。 2 性能和质量都大大提高。 3 开发了大型反应器的现场组焊技术。 4 建立了反应器内件实验研究装置。 5 开发出加钒的新的c r - m o 钢。 目前，对于结构较复杂的对象，采用a n s y s 二次开发的形式为其提供便捷高效的分析系统 已成为流行趋势，开发这类参数化设计和分析系统，为企业和设计人员节省了大量的人力和物 力，提高了企业生产效率和市场竞争力。然而，对于化工行业必不可少的加氢反应器，目前尚 无关于此类系统的开发研究。 1 3 研究目的和意义 加氢反应器是炼油行业中加氢装置的关键设备，其操作条件十分苛刻，通常在高温高压临 氢及硫化氢等腐蚀的介质中操作，其安全运行与否关系到整个装置的安全生产，因此它的设计 制造要求十分严格，其安全性必须得到保证。传统的设计中，是采用简化模型进行粗略的结构 计算分析，甚至是凭经验进行估算，得到的结果可信度不高。而利用有限元软件进行传统的建 模加载计算，可以得到理想的结果，可是面对设计方案的频繁改动，需要修改复杂的有限元模 型，甚至重建模型，环境载荷的加载也是手动加载，在变换环境参数后需要重复以上的加载工 作，所以效率低下。 鉴于以上现实设计工作中所遇到的困难，迫切需要开发一个高效的软件，将有限元分析方 法和参数化设计结合起来。然而，迄今为止国内还没有专门的加氢反应器参数化设计和分析 软件，对加氢反应器的压力、温度等因素的分析大多建立在有限元分析软件a n s y s 的基础之 上，由于专业的有限元分析软件a n s y s 一般采用基于g u i 的人机交互方式进行分析：因此， 当对大量的结构相似或结构不同的对象进行分析时，如仍采用上述方式，必将带来很多重复的 操作，并可能导致较大的系统误差或人为差错。为此，本课题基于v i s u a lc h 击0 平台、 a n s y s l 0 0 等软件来开发加氢反应器参数化设计与有限元分析系统，使之能够自动生成加氢反 应器结构模型和自动划分有限元网格，从而实现通过输入结构参数即可自动完成加氢反应器的 4 南京航空航天人学硕士学位论文 有限元分析，系统可自动完成的功能如图1 2 所示。在此基础上，形成一套实用、可靠、通用 性强、操作方便的加氢反应器参数化设计和有限元析软件。此软件将大大提高加氢反应器的设 计效率和产品质量，提高计算精度，缩短产品研制周期，把设计人员从传统繁琐的建模和有限 元分析工作中解放出来，同时对于提高加氢反应器设计水平、普及有限元分析方法、促进加氢 反应器工业发展具有重大意义。 图1 2 系统自动完成功能图示 1 4 研究内容 本系统最主要的特点是克服了以往a n s y s 二次开发只能针对一种对象的局限性，而将对象 做成系列化，使本系统拥有了更为广泛的实用价值。 1 结构设计及有限元分析： 本系统分析的对象是化工行业中的重要设备加氢反应器，对结构中容易发生应力集中的主 要部位，如群座，开孔接管等结构进行了重点研究。 ( 1 ) 群座：从加氢反应器的两种形式( 浮阀塔和泡罩塔) 重点研究了其机械应力分析，热 应力( 加设保温层) 分析，综合应力分析及应力评定问题，并对群座结构进行了优化设计。 ( 2 ) 开孔接管：除分析普通接管无补强结构应力外，还要对有补强圈的接管结构进行分析， 并对两者分析结果进行对比分析。 2 系统开发： 系统开发主要分为四个模块，分别是：用户手工输入参数模块、从标准数据库中输入参数 模块、优化设计+ 从优化结果中输入参数模块、辅助设计模块。 ( 1 ) 用户手工输入参数模块：用户可根据实际工作条件手工输入符合实际情况的参数值， 进行因地制宜的设计分析。 ( 2 ) 从标准数据库中输入参数模块t 将常用的标准尺寸，材料，工况载荷数据等输入系统 数据库，使用户可以根据实际需要从系统数据库中选取参数值进行设计分析。 ( 3 ) 优化设计+ 从优化结果中输入参数模块：完成浮阀塔和泡罩塔群座的优化设计，并采 5 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 用优化设计后的参数值，以最优的结构参数进行设计分析，得到最合理的设计方式。 ( 4 ) 辅助设计模块：将繁琐的理论计算编为程序，用户只需将相关设计参数输入系统即 可自动生成理论值，这样用户在使用本系统过程中就可以利用辅助设计模块迅速便捷的得到所 需的参数，并且可以将a n s y s 分析值与理论计算值进行参考比较。 本系统开发流程如图1 3 所示。 6 加氢反应器主要 结构有限元分析 提取能够表示所 有变量的参数 建立参数化 a p d l 文件 数据库模块 v c + + 与a n s y s 的嵌套技术 系统界面输入 待定参数 用户选取所需设计 的加氢反应器类型 自动生成加氢反应 器主要结构模型 生成预处理的 a p d l 文件 图1 3 系统开发流程图 标准数据库有 限元分析 优化设计分析 手工输入参数 有限元分析 辅助设计 南京航空航天大学硕十学位论文 第二章加氢反应器参数化设计与计算机辅助设计 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计方面具有较大的应 用价值。加氢反应器参数化设计与有限元分析系统在参数化设计方面不仅完成了建模过程的参 数化，而且实现了有限元分析过程的参数化，在工程设计方面具有更广泛的实用价值。另外针 对设计过程中涉及到的很多结构尺寸计算、强度校核的问题，本系统增设了计算机辅助设计模 块，此模块可使设计人员从繁琐的结构尺寸计算、强度校核中解放出来，有效的提高设计效率。 2 1 加氢反应器参数化设计 参数化设计是一种解决设计约束问题的数学方法。它是在结构形状比较定型时，用一组参 数来约定尺寸的关系，然后通过尺寸驱动来达到改变结构形状的目的。根据产品结构设计原理， 整个产品尺寸数据大致可分为下列六种： 1 关键尺寸：指结构设计开始时已知的结构参数或用户要求的参数。这些参数与产品的目 的功能有密切联系，在方案设计阶段已经通过计算机或者设计师交互输入给定； 2 装配尺寸：由零部件装配关系确定参数，其设计约束一般为几何约束； 3 性能约束尺寸：包括强度、刚度或其它性能要求的尺寸。由强度、刚度和其他相关的计 算公式求得对这类尺寸的约束条件： 4 标准系列参数：即标准件的尺寸系列数据。这些数据来自有关企业的产品目录、设计手 册或标准，经收集整理后，可放入数据库中，通过查询程序检索； 5 自由结构尺寸：例如影响外观和人机关系的一些结构尺寸。主要通过交互或凭借经验确 定，不一定有计算公式。系统程序中的赋值可选取有关产品的统计和经验数据： 6 工艺尺寸：反映了零部件加工工艺、毛坯生产工艺以及装配工艺方面的要求。以已有的 一些工艺要求数据作为参考值设计获得有关数据，存放于数据库中，通过查询程序检索。 对于特定的特征，其决定参数为形状参数和定位参数。形状参数可以分为设计者输入的参 数和从上级特征继承的参数。前者由设计者根据零件功能需要或装配要求，交互输入它的数值， 要受约束方程的约束，是约束方程中的变量。后者则不是由设计者直接输入，而是从特征依附 的上一级特征继承下来的。因而对不能直接通过继承性自动建立的参数，人们可以根据一定关 系建立起关系表达式或尺寸链，使得修改一个控制尺寸时，即可达到与之相关尺寸的联动效果， 提高设计效率。 2 1 1 加氢反应器参数化设计方法 1 研究对象的结构简化 7 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 本文的主要研究对象为加氢反应器的群座和开孔接管结构。本文的研究对象具有结构参数 多、结构复杂、存在焊接结构、易发生应力集中等特点。从总体上看，群座区和开孔接管区都 具有对称性，因此在不影响分析结果的前提下，对其进行有限元分析时可以取部分结构为研究 对象代替全部结构，以简化模型，提高分析效率。因为群座区为轴对称结构，对群座区可以采 用轴对称模型，即以群座结构的一个截面建模。接管区可以开孔接管结构的1 4 进行建模。由 于加氢反应器结构复杂，利用有限元软件进行建模网格化时很难保证与实物完全一致，因此建 模时有必要对模型进行简化，但简化应以不影响其结构的动态特性为原则。参考了大多数文献 后，并结合参数化的特点，本文在加氢反应器结构建模时简化了一些结构上的细节： ( 1 ) 忽略结构上小的导角、导边； ( 2 ) 鱼鳞状的焊缝结构近似以曲面形式代替： ( 3 ) 忽略了群座区下封头的开孔接管； 2 参数化设计技术 参数化建模要保证在满足基本参数要求的前提下，结构上的任何一个尺寸或局部结构都可 以根据设计要求发生变化，因而其它所有尺寸也要产生相应的变化，在建模过程中通过考虑不 ： 同结构形式来体现，即对所有尺寸施行参数化设计。当指定结构的某些尺寸改变后，程序按照 几何拓扑中的尺寸链和各尺寸大小的逻辑关系自动调整整个模型结构和尺寸参数。 本系统的一个创新点是对象的系列化。群座区和接管区在设计过程中体现了系列化的特点， 群座区有泡罩塔和浮阀塔两种形式，接管区有接管无补强和接管有补强两种形式。由于篇幅原 因，在此仅以浮阀塔群座和接管无补强结构为例介绍参数化设计的过程。参数主要分为结构参 数、材料参数、载荷参数、工况参数等几个类型，表2 1 、2 2 是分析中所需参数及各参数的意 义。 表2 1 浮阀塔群座参数表 参数 参数意义参数 参数意义参数 参数意义 万 圆周率 r 5 外过渡圆弧半径 h a i r 空气对流传热系数 r l 筒体内径 h l 群座体高度h y t物料对流传热系数 t l 筒体壁厚 h 2 筒体长度 t a i r 空气温度 h 筒体到群座支撑高度 h 3 群座连接侧直边高度t y t物料温度 t 2 封头壁厚 l p 群座水平偏距 p 内部压力 r 2 分头内径。 t 2 群座厚度 m a s s 设备总重 内圆弧半径 h 4 保温层定位位置 e x x l 弹性模量 r 2 外圆弧半径 b 。 保温层厚度 n u x y l 泊松比 r 3 内过渡半径 鼬 筒体传热系数 a l p x l 热膨胀系数 r 4 保温层过渡圆弧半径 k b w 保温层传热系数 8 南京航空航天大学硕士学位论文 表2 2 接管无补强参数表 参数参数意义 参数 参数意义参数参数意义 r i 简体内径 l 。 接管外伸长度 p i 己x y 2 接管泊松比 t 简体厚度 r l 外过渡半径 e x x 3 焊缝弹性模量 l l 简体长度 r 2 内过渡半径 p r x y 3焊缝泊松比 r 。 接管外半径 e x x l 筒体辟h 强圈弹性模量 p 内部压力 e 接管厚度 p r x y l 筒体辟p 强圈泊松比 l i 接管内伸长度 e x x 2 接管弹性模量 参数化设计技术的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构 造。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化设计 方法可使存储设计的整个过程一次能设计一族( 而不是单一的) 产品模型。参数化设计技术过 程使工程设计人员无需要考虑细节而尽快建立产品模型，经过对模型的反复修改来得到所需的 设计，并可变动某一些约束参数来更新设计，从而在设计系列化产品时不必一次次都重新运行 设计全过程。图2 1 、2 2 为浮阀塔群座和接管无补强结构经参数化设计后的结构示意图。 边界3 p t 1 垫墨! ， r 上 t 0 厂 r 2 节 2 边界1 图2 1 浮阀塔群座参数化设计图图2 2 接管无补强参数化设计图 2 1 2 参数化设计实现方法 参数化设计的实现需要利用a n s y s 二次开发语言a p d l ，0 气n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ) 15 1 6 1 语言来完成。a p d l 语言是一种解释性语言，主要面对熟练掌握了a n s y s 基本 分析过程( 建模一求解后处理) ，并且有编程经验，特别是具有f o r t r a n 7 7 编程经验的用户， 这些用户一般是为了尝试使用a n s y s 变量设计语言进行开发，以充分发挥a n s y s 的潜能。 a p d l 是一种非常类似于f o r t r a n 7 7 语言的命令流似的语言，它的核心内容为宏、参数、循环命 9 o ： 一t 加氢反应器参数化设计与有限元分析系统的研究 令和条件语句，可以通过建立参数化模型来自动完成一些通用性强的任务；a p d l 可用来自动 完成有限元常规分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析 的手段为用户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以 及选用的分析类型来作决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。a p d l 允许复杂 的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析属性有控制权，如分析模型的尺寸、材料的性能、 荷载、边界条件施加的位置和网格的密度等。通过精心的计划，就可以利用a p d l 建一个完善 的分析方案。以下所述的是本文进行加氢反应器结构分析a n s y s 二次开发时所使用的a p d l 语言功能。 1 a p d l 语言中的参数使用 ( 1 ) 变量的类型 a p d l 提供两种类型的参数，即标量和数组。标量参数可以是整型和实型，也可以是不超 过8 个字符的字符串，字符串用双引号括起来，数值型变量均保存为双精度类型。参数在使用 之前必须提前定义。数组参数包括：数值型、字符型、字符串型和表格类型。 ( 2 ) 变量的命名 ： 对于参数名，和其它任何语言一样，它有事先的约定，必须按照一定的规则命名。在a p d l 中，参数名的命名按照如下规则：必须以字母开头；只能包含字母、数字和下划线“”： 其长度不能超过3 2 字符。例如p i ，s t r e s s 。除了以上基本命名规则，在参数命名中，还应当 注意下面几条规则：参数名不能与a n s y s 已有的符号名相同；参数名不能与“a b b r 命令 定义的缩略词相同；不能以下划线“”作为参数名的开头。 ( 3 ) 变量的赋值 变量的赋值分为：直接在命令行中输入a b c = 1 0 ，这样就给参数名为a b e 的参数赋予1 0 ； 利用命令* s e t ，其格式为* s e t ，a b e ，1 0 ，其功能和前面的赋值方法一样；在启动a n s y s 时 可以通过交互界面赋值；利用命令* g e t 从a n s y s 系统中取值，并赋予定义的参数中，其格 式为* g e t ，p a r ，e n t i t y ，e n t m i m ，i t