一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法与流程

1.本发明涉及蒸压釜，尤其涉及一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法。


背景技术：

2.蒸压釜作为一种压力特种设备，其由釜体、釜体法兰、釜盖、釜盖法兰、摆动装置、安全装置等组成，它大量应用于加热混凝土管桩、灰砂砖、以及如微孔碳酸钙板、石棉板等新型轻质墙体材料，同时也在金属冶炼、化纤产品的生产等需要高温高压处理的行业中得到广泛的应用。
3.为了快速实现物料的装卸中旋合、升压、蒸养、降压、退开等重复操作，蒸压釜一般采用贯通式或啮齿式快开门结构。但由于其工作在温度、压力参数变化频繁、开合次数多的工作环境中，蒸压釜罐口的受力也在不断变化，从而导致罐口及相关釜齿强度和使用寿命都会受到较大的降低。因此，如何在设计和研发阶段利用能借助于数值模拟计算手段，分析蒸压釜在所作业环境条件下的受力变化规律，减少不合理的设计参数对其强度与使用寿命的影响，是保证蒸压釜合理的结构设计，避免日后生产事故发生的一个关键设计步骤。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，针对最大应力处的尺寸进行优化，使应力尽可能地小，疲劳寿命尽可能的大。
5.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，所述蒸压釜包括一端设置有开口的釜体和设置在釜体开口处的釜盖，在釜体的开口沿着其圆周方向设置有等间隔的设置有第一釜齿，在釜盖的边缘沿着其圆周方向等间隔的设置有第二釜齿，第一釜齿和第二釜齿在釜体的轴线方向上相互抵靠实现对所述开口的封闭，所述数值模拟方法具体包括如下步骤：
7.步骤s1：采用ansys中的温度计算模块fluent获取蒸压釜的温度分布；
8.步骤s2：采用ansys中的优化模块direct optimization对釜齿齿根处的圆角大小进行优化，得出对应初始尺寸下等效应力最小、疲劳寿命最大的圆角；
9.步骤s2中，采用ansys中的应力计算模块static structual且根据温度分布计算蒸压釜的圆角处的等效应力和疲劳寿命。
10.优选地，所述步骤1具体包括如下步骤：
11.步骤s101：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型；
12.步骤s102：对蒸压釜进行流体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；
13.步骤s103：根据温度边界条件计算蒸压釜的温度分布。
14.优选地，所述步骤s2具体包括如下步骤：
15.步骤s201：将齿釜齿根处的圆角大小作为优化模块direct optimization的输入变量，将等效应力和疲劳寿命作为输出变量；
16.步骤s202：在direct optimization设置输入变量蒸压釜圆角尺寸的上限和下限；
17.步骤s203：设置蒸压釜的优化目标和约束条件，等效应力的优化目标为等效应力的寻找最小值，疲劳寿命的优化目标为寻找最大值；
18.步骤s204：按照预定的变化规律在所述上限和下限范围内改变圆角尺寸，得到不同圆角尺寸下对应的等效应力和疲劳寿命；
19.步骤s205：根据步骤s204得到的等效应力和疲劳寿命绘制圆角尺寸-等效应力曲线和圆角尺寸-疲劳寿命曲线；
20.步骤s206：根据所述曲线，选出等效应力最小、疲劳寿命最大处的圆角尺寸。
21.优选地，在步骤s204中，采用以下步骤计算蒸压釜的等效应力和疲劳寿命：
22.步骤2041：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型以及相应的材料；
23.步骤2042：对蒸压釜进行固体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；
24.步骤2043：根据所述温度分布计算蒸压釜的等效应力和疲劳寿命；
25.按照得到的圆角尺寸依次改变蒸压釜模型中的釜齿齿根处的圆角尺寸。
26.优选地，所述等效应力由以下公式计算：
[0027][0028]
σe为等效应力，σ1、σ2、σ2分别为圆角处的第一、第二、第三主应力，由应力计算模块static structual仿真得出。
[0029]
优选地，所述疲劳寿命由以下公式计算：
[0030]
σemn＝c，
[0031]
n为疲劳寿命，m、c为蒸压釜所选材料的材料常数。
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0033]
本发明的数值模拟方法能够计算出对应蒸压釜整体的设计尺寸的圆角尺寸大小，以使在该整体设计尺寸下等效应力最小，疲劳寿命最大。
附图说明
[0034]
图1是本发明的整体流程图；
[0035]
图2是步骤s1的流程图；
[0036]
图3是步骤s2的流程图；
[0037]
图4是步骤s3的流程图；
[0038]
图5是蒸压釜上的应力分布图；
[0039]
图6是圆角-等效应力曲线；
[0040]
图7是圆角-疲劳寿命曲线。
具体实施方式
[0041]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0042]
蒸压釜包括釜体和设置在釜体的开口处的釜盖，在釜体和釜盖的连接处设置有釜齿，釜体的釜齿和釜盖的釜齿相互抵靠以将釜盖固定到釜体上，类似于压力锅的锅体和锅盖的配合形式。在实际中，蒸压釜最大的应力集中在两釜齿的齿根处，因此，在仿真分析中主要是针对釜齿齿根进行分析，并对齿根处的圆角进行优化，使应力最小，疲劳寿命最大。
[0043]
一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，具体包括如下步骤：
[0044]
步骤s1：采用ansys中的温度计算模块fluent获取蒸压釜的温度分布，具体包括如下步骤：
[0045]
步骤s101：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型；
[0046]
步骤s102：对蒸压釜进行流体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；
[0047]
步骤s103：根据温度边界条件计算蒸压釜的温度分布；
[0048]
步骤s2：采用ansys中的优化模块direct optimization对釜齿齿根处的圆角大小进行优化，得出对应初始尺寸下等效应力最小、疲劳寿命最大的圆角，具体包括如下步骤：
[0049]
步骤s201：将齿釜齿根处的圆角大小作为优化模块direct optimization的输入变量，将等效应力和疲劳寿命作为输出变量；
[0050]
步骤s202：在direct optimization设置输入变量蒸压釜圆角尺寸的上限和下限；
[0051]
步骤s203：设置蒸压釜的优化目标和约束条件，等效应力的优化目标为等效应力的寻找最小值，疲劳寿命的优化目标为寻找最大值；
[0052]
步骤s204：按照预定的变化规律在所述上限和下限范围内改变圆角尺寸，得到不同圆角尺寸下对应的等效应力和疲劳寿命；
[0053]
步骤s205：根据步骤s204得到的等效应力和疲劳寿命绘制圆角尺寸-等效应力曲线和圆角尺寸-疲劳寿命曲线；
[0054]
步骤s206：根据所述曲线，选出等效应力最小、疲劳寿命最大处的圆角尺寸。
[0055]
在步骤204中，采用ansys中的应力计算模块static structual且根据温度分布计算蒸压釜釜齿圆角处的等效应力和疲劳寿命，具体如下：
[0056]
步骤2041：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型以及相应的材料；
[0057]
步骤2042：对蒸压釜进行固体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；
[0058]
步骤2043：根据所述温度分布计算蒸压釜模型处的的等效应力和疲劳寿命；
[0059]
在执行步骤2041时，依次根据得到的多个圆角尺寸修改蒸压釜模型。
[0060]
所述等效应力采用以下公式计算：
[0061][0062]
σe为等效应力，σ1、σ2、σ2分别为圆角处的第一、第二、第三主应力，即分别为x、y、z三个方向上的应力。在优化模块中，先仿真出σ1、σ2、σ2，然后通过上述公式进行计算等效应力。
[0063]
所述疲劳寿命采用以下公式计算：
[0064]
σemn＝c，
[0065]
n为应力循环数，即疲劳寿命，m、c为蒸压釜所选材料的材料常数。
[0066]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

技术特征：
1.一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，所述蒸压釜包括一端设置有开口的釜体和设置在釜体开口处的釜盖，在釜体的开口沿着其圆周方向设置有等间隔的设置有第一釜齿，在釜盖的边缘沿着其圆周方向等间隔的设置有第二釜齿，第一釜齿和第二釜齿在釜体的轴线方向上相互抵靠实现对所述开口的封闭，所述数值模拟方法具体包括如下步骤：步骤s1：采用ansys中的温度计算模块fluent获取蒸压釜的温度分布；步骤s2：采用ansys中的优化模块direct optimization对釜齿齿根处的圆角大小进行优化，得出对应初始尺寸下等效应力最小、疲劳寿命最大的圆角；步骤s2中，采用ansys中的应力计算模块static structual且根据温度分布计算蒸压釜的圆角处的等效应力和疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1具体包括如下步骤：步骤s101：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型；步骤s102：对蒸压釜进行流体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；步骤s103：根据温度边界条件计算蒸压釜的温度分布。3.根据权利要求1所述的一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s2具体包括如下步骤：步骤s201：将齿釜齿根处的圆角大小作为优化模块direct optimization的输入变量，将等效应力和疲劳寿命作为输出变量；步骤s202：在direct optimization设置输入变量蒸压釜圆角尺寸的上限和下限；步骤s203：设置蒸压釜的优化目标和约束条件，等效应力的优化目标为等效应力的寻找最小值，疲劳寿命的优化目标为寻找最大值；步骤s204：按照预定的变化规律在所述上限和下限范围内改变圆角尺寸，得到不同圆角尺寸下对应的等效应力和疲劳寿命；步骤s205：根据步骤s204得到的等效应力和疲劳寿命绘制圆角尺寸-等效应力曲线和圆角尺寸-疲劳寿命曲线；步骤s206：根据所述曲线，选出等效应力最小、疲劳寿命最大处的圆角尺寸。4.根据权利要求3所述的一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，其特征在于，在步骤s204中，采用以下步骤计算蒸压釜的等效应力和疲劳寿命：步骤2041：根据设计需求初步定出蒸压釜的初始尺寸建立蒸压釜模型以及相应的材料；步骤2042：对蒸压釜进行固体网格生成，并优化相应网格质量以提高数值模拟计算精度；步骤2043：根据所述温度分布计算蒸压釜的等效应力和疲劳寿命；按照得到的圆角尺寸依次改变蒸压釜模型中的釜齿齿根处的圆角尺寸。5.根据权利要求4所述的一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，其特征在于，所述等效应力由以下公式计算：
σ
e
为等效应力，σ1、σ2、σ2分别为圆角处的第一、第二、第三主应力，由应力计算模块static structual仿真得出。6.根据权利要求5所述的一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，其特征在于，所述疲劳寿命由以下公式计算：σ
e
mn＝c，n为疲劳寿命，m、c为蒸压釜所选材料的材料常数。

技术总结
本发明提供了一种参数化设计蒸压釜的数值模拟方法，所述蒸压釜包括一端设置有开口的釜体和设置在釜体开口处的釜盖，在釜体的开口沿着其圆周方向设置有等间隔的设置有第一釜齿，在釜盖的边缘沿着其圆周方向等间隔的设置有第二釜齿，第一釜齿和第二釜齿在釜体的轴线方向上相互抵靠实现对所述开口的封闭，所述数值模拟方法具体包括如下步骤：步骤S1：采用ANSYS中的温度计算模块Fluent获取蒸压釜的温度分布；步骤S2：采用ANSYS中的优化模块Direct Optimization对釜齿齿根处的圆角大小进行优化，得出对应初始尺寸下等效应力最小、疲劳寿命最大的圆角；步骤S2中，采用ANSYS中的应力计算模块Static Structual且根据温度分布计算蒸压釜的圆角处的等效应力和疲劳寿命。蒸压釜的圆角处的等效应力和疲劳寿命。蒸压釜的圆角处的等效应力和疲劳寿命。


技术研发人员：欧阳小平 叶志坚
受保护的技术使用者：广东省特种设备检测研究院惠州检测院
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/9/22