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利用APDL參數(shù)V錐流量計(jì)懸臂支撐的優(yōu)化

利用APDL參數(shù)化編程的方法對V錐流量計(jì)的懸臂支撐進(jìn)行了參數(shù)化建模,運(yùn)用ANSYS中優(yōu)化模塊對流量計(jì)懸 臂支撐的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,其結(jié)果表明優(yōu)化后懸臂支撐的受力情況得到了顯著的改善，同時使得V錐流量計(jì)尺寸更加合 理,并提高了材料的利用效率,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的意義。

0.引言

V錐流量計(jì)是一種新興的管道流量測量裝置，與其他 的測量裝置（如文丘里管等傳統(tǒng)的測量裝置相比,具有明顯的優(yōu)點(diǎn):1)較強(qiáng)的自整流功能，對于流量計(jì)的前 直管段要求較短,可以在較小的空間內(nèi)進(jìn)行安裝；2)抗污 染能力強(qiáng)，具有持久耐用的特點(diǎn)；3)由于量程比寬，即它 的線性度好,從而使其精度較高沐壓力損失小，4)可以降 低能耗;5)安裝維護(hù)費(fèi)用后相對較低。但在實(shí)際的應(yīng)用 中，并沒有得到社會廣泛的認(rèn)可，主要原因是V錐流量計(jì) 在使用過程中因流體的作用出現(xiàn)節(jié)流錐體出現(xiàn)偏斜、振 動甚至脫落等故障。由于V錐流量內(nèi)錐型節(jié)流裝置需要與 管道同軸安裝的特殊性，目前經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)形式是L型 的懸臂支撐,如圖1所示。節(jié)流錐體與管道不同軸會使測 量精度明顯降低,要求支撐具有足夠的剛度以確保節(jié)流錐體的正確位置，尤其在使用的全過程中都要保持這種狀態(tài),使流量計(jì)能夠穩(wěn)定工作。因此,對V錐流量計(jì)懸臂支撐 的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),是工程應(yīng)用中亟待解決的問題。

1.V錐流量計(jì)模型的簡化處 理

如圖1所 示的V錐流量 計(jì)的剖面視 圖，從圖中可 以看出，分析 優(yōu)化的中重點(diǎn)是起到支撐作用的L型懸臂結(jié)構(gòu),所以外管道可以在建模的過程中略去，去除掉與分析過程無關(guān)的部分，目的是為了使整個分析優(yōu)化過程更加便捷、地進(jìn)行。

2.節(jié)流裝置的APDL參數(shù)化建模

如圖1,L型支撐結(jié)構(gòu)的位于錐體的前部,現(xiàn)在需要確定的是L型懸臂支撐進(jìn)行參數(shù)化建模，橫臂直徑d1二 10mm,豎直臂內(nèi)徑d2=5mm,豎直臂外徑d3=10mm,長度 1=50mm,豎直臂距離錐體尾部的距離%=65mm。對相應(yīng)參數(shù)4、2、義、/以及x五個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)化模型如圖 2，其中等效直徑比/3=0.85,管道內(nèi)徑"=100mm。

3.V錐流量計(jì)流體仿真

在進(jìn)行有限元分析之前，需要對流量計(jì)進(jìn)行流體力 學(xué)仿真，進(jìn)一步確定因流體作用在錐體上產(chǎn)生的壓力載 荷,在確定其載荷值后進(jìn)行有限元分析。

利用FLUENT或CFX軟件進(jìn)行流體力學(xué)仿真，可以得到如圖3所示的壓 力云圖，入口速度 為10m/s，介質(zhì)為 空氣，湍流模型為 RNG模型。從圖3 中可以清楚地看到 流體在流經(jīng)錐體后 會的壓力變化情 況，同時在錐體尾 部下面的壓力值 大于上面的壓力 值，出現(xiàn)上下壓力 不等的情況。

4.有限元分析及 其變量的提取

在參數(shù)化模型 的基礎(chǔ)上，根據(jù)過 程需要進(jìn)行設(shè)置 材料屬性、單元類 型和約束及其加 載。

V錐流量計(jì)內(nèi) 錐體及其懸臂支 撐的材料為 1Cr18Ni9Ti，具有 防銹、機(jī)械強(qiáng)度高 的特點(diǎn)，可給予內(nèi) 錐體足夠的支撐。單元類型選用Soild185,約束為支撐的 一段固定,載荷值為流體力學(xué)仿真中數(shù)值。

進(jìn)行有限元分析得到相關(guān)的應(yīng)力云圖，如圖4。***大 應(yīng)力的位置為懸臂支撐與管道相連結(jié)出上，與實(shí)際故障 位置一致,進(jìn)一步證明了該分析的結(jié)果是可以信的。

下面為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提取有限元分析中的***大 應(yīng)力Smax和***大位移量Umax作為優(yōu)化分析時的狀態(tài)變量， 提取SMAX和UMAX使用的命令如下：

/POST1 !后處理

ALLSEL !選擇所有節(jié)點(diǎn)

NSORT,S,EQV,0,0,ALL!將應(yīng)力排序

*GET,SMAX,SORT，, MAX!將***大應(yīng)力存在Smax中

NSORT,S,SUM,0,0,ALL!將位移量排序

*GET,UMAX,SORT,0,MAX!將***大位移量存在Umax中

FINISH

5.優(yōu)化分析

用上述參數(shù)對改進(jìn)L型懸臂的支撐的尺寸，重新進(jìn)行 有限元分析,得到的新的有限元分析結(jié)果，與優(yōu)化前相比較而言，改進(jìn)以后的懸臂上的應(yīng)力分布較改進(jìn)前有很大 的改善，同時受力情況也得到了提高,說明此次優(yōu)化取得了較理想的結(jié)果。

6.結(jié)語

通過利用APDL參數(shù)化建模的方式對V錐流量計(jì)L型 懸臂的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化分析，從優(yōu)化后的應(yīng)力云圖驗(yàn)證 了優(yōu)化的***終效果是較為理想且可信的，說明了該優(yōu)化 結(jié)果可以有效地改善懸臂支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，減少故 障發(fā)生的概率并且提高材料的使用率。