基于ANSYS的油水分离器优化设计
摘要
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。
引言
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]。
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。
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：
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。
图2 矿用油水分离器有限元模型
分析设计及优化设计
3.1 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：
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s m11（SMISC34）与s m22（SMISC35）分别对应切向、轴向的主应力的薄膜应力，s b11（SMISC37）与s b22（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
*GET,VOLUME,SSUM,,ITEM,VOLU
3.2 优化算法选取及变量设置
Workbench中Direct Optimization模块中主要有筛选法（Screening）、多目标遗传优化法（MOGA）、非线性二次规划法（NLPQL），各算法特点如表1所示：
因设备封头、筒体封头、筒体均为标准化设备，按规范中尺寸选取连续变量。结合各优化算法的计算速度、精度及适用变量类型，本文采用多目标遗传算法对设备进行优化设计。
3.3 计算结果及对比
最终得到的最优解经圆整后为R=250mm，L=640mm，T=3mm（考虑腐蚀余量后取5mm），与初始设计比较，减重达30.98%。目标函数、设计变量的迭代过程如图3所示。
图3 目标函数、设计变量的迭代过程
对最优解采用ANSYS进行分析，采用单元输出的应力线性化结果与常规壳单元提取线性化结果的承压边界应力分布如图4所示。对一次总体薄膜应力满足SⅠ；对一次局部薄膜应力，均满足PL≤SⅠ＜SⅡ；一次薄膜+弯曲应力满足SⅢ，设备满足强度要求。计算结果对比见表2。
图4 承压边界应力线性化结果分布
结论
本文通过对油水分离器的的分析优化设计，并将优化后结果与常规分析设计提取结果对比，可得出以下结论：
基于力学知识和矿用油水分离器的结构特点，可对其进行优化设计。
为提高求解速度，可采用与标准规范对应的离散型变量分析。
在网格划分合理的情况下，可采用单元表输出的应力线性化计算结果。
参考文献
[1] GB 50215-2015，煤炭工业矿井设计规范[S].
[2] 梁基照．压力容器优化设计[M]．北京：机械工业出版社，2010.
[3] 王战辉，马向荣，范晓勇，等．凸形封头压力容器优化设计[J].轻工机械, 2019,37(2): 98-104.
[4] 刘豆豆，淡勇，裴梦琛．基于有限元的压力容器开孔接管区的应力分析及优化设计[J].化工机械, 2018,45(2): 165-169.
[5] 冯嘉珍，张建国，邱继伟．基于竞争博弈的多目标可靠性优化设计方法[J].北京航空航天大学学报, 2018,44(4): 887-894.
[6] 陈定樑，卓宏明，陈倩清．基于改进萤火虫算法的压力容器离散变量优化设计[J].机械强度, 2017,39(3): 598-602.
[7] 姜红静，杨永春，陈志华．核设施压力容器优化设计[J]. 产业与科技论坛, 2016,15(7): 57-58.
[8] GB 150-2011，压力容器[S].
[9] JB 4732-1995，钢制压力容器——分析设计标准[S].
[10] 江楠．压力容器分析设计方法[M]．北京：化学工业出版社，2013
