基于ANSYS的油水分离器优化设计案例

根据现行材料的力学性能，采用Direct Optimization模块对油水分离器部分设计参数进行优化设计。考虑到实际加工、生产情况采用离散型设计变量，并通过单元表提取应力线性化结果并建立相应的约束条件。经对求得最优解与壳单元提取的应力线性化结果相似性的对比，证明了单元表提取应力线性化结果并优化设计的方法可行性，进而在满足要求的基础上使设备达到重量最小，经济性最佳。

矿用压缩空气系统生产和输送额定压力为1.0MPa的压缩空气，在正常的开拓、生产时为井下的风镐、风钻及其它风动工具提供动力，在发生矿井灾害时为井下抢险及避灾人员提供新鲜风流，是矿井中必不可少的关键系统之一。根据国家标准，在井口、井下管道最低部位、采区上山或厂房的入口处，均应设置油水分离器[1]，该设备使用数量较多。现行该设备设计仍多采用原煤炭部编制的通用设计图集。

我国工业经过几十年的发展，材料水平、设计理念均发生了翻天覆地的变化。如果仅将设计替换为现行材料，考虑到该设备的广泛使用，无疑会产生极大的浪费。优化设计作为一门新的学科，在实际中的应用越来越广泛，在压力容器的设计中，有以下三种优化分析：结构尺寸优化、结构形状优化和拓扑优化[2]，工程设计中主要是进行尺寸优化。近年来王战辉等提出了对压力容器承压边界[3]，刘豆豆等提出了对压力容器接管采用ANSYS进行优化设计的方法[4]，冯嘉珍等提出了加权法[5]，陈定樑等提出了改进萤火虫法等压力容器优化算法[6]，姜红静等提出了专门针对具体行业要求的压力容器优化设计[7]。

1、设备结构及数学模型

矿用油水分离器主要由筒体、封头、支腿及接管组成，结构如图1所示，在设备基本要求已经确定的情况下,仅能够对筒体及封头半径R，筒体长度L，筒体及封头厚度T等参数进行尺寸优化。因此选择R、L、T作为设计变量。

基于ANSYS的油水分离器优化设计

图1 原煤炭工业部通用设计中的矿用油水分离器

原设计设备采用A3钢板及无缝钢管，经现行材料等效替换为Q235B钢板，接管材料为20无缝钢管，同时根据国家标准[8]，T应不小于3mm。在设计温度下，当材料厚度不超过16mm时，材料的许用应力、既一次总体薄膜应力强度极限SⅠ=113MPa，一次局部薄膜应力强度极限SⅡ=169.5MPa,一次弯曲应力的强度极限SⅢ=169.5 MPa[8][9]。同时根据设备功能要求，设备容积V应控制在一定范围内。

因此，设备的优化设计的数学模型为：

基于ANSYS的油水分离器优化设计

2、有限元模型

有限元模型用来计算设备在自重、内压等载荷作用下的应力。因筒体、接管外径内径比均小于1.2，可按薄壁处理，采用板壳单元（SHELL181）模拟筒体、封头及接管，采用梁单元（BEAM188）模拟支腿。模型采用圆柱坐标系，对称轴及重力均为Y方向。筒体、封头及接管内壁均承受1.0MPa内压，接管载荷忽略不计。计算中总单元数量16569个，节点数量16560个。有限元模型如图2所示。

基于ANSYS的油水分离器优化设计

图2 矿用油水分离器有限元模型

3、分析设计及优化设计

应力约束条件及目标函数

根据圣维南原理及圆筒受均布压力的拉梅解答，筒体连续部分所受主应力分量如下：

基于ANSYS的油水分离器优化设计

根据SHELL181单元的定义，当有限元网格划分使得单元坐标系X轴、Y轴分别对应切向应力方向、轴向应力方向时，单元输出结果sm11（SMISC34）与sm22（SMISC35）分别对应切向、轴向的主应力的薄膜应力，sb11（SMISC37）与sb22（SMISC38）分别对应切向、轴向的主应力的弯曲应力，其中较大值即为即为第一主应力的线性化数值解，这些数值解应符合SⅠ，SⅡ，SⅢ的约束条件。提取约束条件中线性化应力APDL计算程序如下。

SABS,1

ETABLE,SM11,SMISC,34

ETABLE,SM22,SMISC,35

ETABLE,SB11,SMISC,37

ETABLE,SB22,SMISC,38

SADD,SMB11,SM11,SB11

SADD,SMB22,SM22,SB22

SMAX,SM,SM11,SM22

SMAX,SMB,SMB11,SMB22

在忽略接管及支腿质量的假设且设备构成为均质钢制材料条件下,目标函数设备总重量最小即构成承压边界的单元体积之和最小。提取目标函数APDL计算程序如下。

ETABLE,VOLU,VOLU

SSUM