基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

基于matlab的u形管式换热器优化设计1. 简介U形管式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于工业生产和能源系统中。

通过合理优化设计U形管式换热器，可以提高热能的利用效率，降低能源消耗。

本文基于matlab对U形管式换热器进行优化设计进行探讨。

2. U形管式换热器的工作原理U形管式换热器由两个管束组成，形状类似于字母“U”。

热量通过一个管束传递给另一个管束，实现热量交换。

主要包括两种工质：热源流体和冷却流体。

热源流体通过一个管束，将热量传递给冷却流体，在冷却流体管束中完成冷却，并将热量带走。

U形管式换热器具有结构简单、热效率高、传热面积大等优点。

3. U形管式换热器的优化设计方法3.1 初步设计首先进行初步设计，在给定的工作条件下，根据经验公式计算出换热器的初步设计参数，如流体流速、管壁材料等。

3.2 热力计算利用热力学原理，对热源流体和冷却流体在换热器内的热力学参数进行计算，包括温度、压力等。

3.3 管内传热计算通过求解传热方程，计算流体在管内的传热情况。

利用matlab编写传热方程的数值求解程序，求解出传热区域内的温度分布。

3.4 管外传热计算根据管壁材料的传热特性，计算出管内传热过程中的热量传递到管外的情况。

通过计算管外温度分布，确定换热器的整体传热情况。

3.5 优化设计根据初步设计和传热计算的结果，通过matlab的优化算法，优化换热器的设计参数，如管径、管长、管数等，以提高换热效率。

4. U形管式换热器优化设计案例4.1 案例背景某化工企业需要设计一台U形管式换热器，将高温热源流体中的热量传递给低温冷却流体，要求换热效率最大化。

4.2 初步设计根据给定的工作条件，进行初步设计：热源流体温度为100℃，流量为10 kg/s；冷却流体温度为30℃，流量为5 kg/s。

4.3 热力计算利用热力学原理，计算热源流体和冷却流体在换热器内的热力学参数。

热源流体的温度降为70℃，冷却流体的温度升至50℃。

基于ANSYS的管板有限元分析及其优化设计作者：王战辉马向荣范晓勇来源：《当代化工》2019年第03期摘 ;;;;;要：换热器中的管板除了承受管程压力和壳程压力之外，还要承受热流体和冷流体由于温度梯度所带来的温差应力，管板的受力情况复杂多变，严重影响换热设备的经济性和安全性。

利用ANSYS有限元分析软件对管板进行了应力和热-应力耦合分析，比较了其应力云图的分布特点，再对7种工况下的应力进行评定，最后以管板质量为目标函数，以管板厚度为设计变量，以管板最大应力为状态变量，对管板进行结构的优化分析，所得结论对于换热器中管板的优化具有一定的指导意义。

关 ;键 ;词：管板;ANSYS;应力;优化中图分类号：TQ 657.5 ;;;;;文献标识码： A ;;;;;;文章编号： 1671-0460（2018）03-0602-04Abstract： In addition to tube pressure and shell pressure， tube plate in the heat exchanger also bears temperature difference stress caused by thermal fluid and cold fluid due to temperature gradient. The force of tube plate is complex and changeable， which seriously affects economy and safety of heat exchanger. Therefore， ANSYS finite element analysis software was used to analyze the stress and thermal stress coupling of tube plate， distribution characteristics of stress cloud map were compared， and then the stresses in seven working conditions were evaluated. Finally， tube plate mass was used as objective function， tube plate thickness was used as the design variable and tube plate maximum stress was used as the state variable， optimization analysis of tube plate structure was carried out.Key words： Tube plate ; ANSYS; Stress; Optimization换热器也称换交热器，是一种能在热流体和冷流体之间交换热量的装置。

基于热应力模拟的U形管换热器结构改进
周雍;王晓枫;铁巍巍
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(034)007
【摘要】文章使用Ansys软件对传统U形管换热器的管、板进行热应力的数值模拟,分析热应力的大小是否过大,在此基础上提出一种新型双管板U形管换热器结构,目的在于减小管、板结合处的热应力,同时改善传统U形管换热器的一些其他缺陷；并通过Ansys分别对传统、新型U形管换热器工况的模拟,验证了新型U形管换
热器设计的可行性,为新型U形管换热器的设计研发提供了可靠的数值依据.
【总页数】4页(P989-992)
【作者】周雍;王晓枫;铁巍巍
【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009
【正文语种】中文
【中图分类】TB657.5
【相关文献】
1.换热器焊接处热应力数值模拟 [J], 汪义高;杨昌明;张君凯;王旭
2.新型D形螺栓U形管式换热器结构改进 [J], 陈平;徐雪倩;王籧心
3.X型板式换热器的数值模拟结构热应力分析 [J], 陈文超;张锁龙;梁欣
4.换热器管板的热应力数值模拟 [J], 李静
5.关于U形管式换热器温度场的数值模拟研究 [J], 韩文娟;梁雪娇;严成贵;彭义敏;李德翠
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基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计晨怡热管 (新疆大学化学化工学院，新疆鸟鲁木齐830008) 侯静张亚新韩维涛 2010-3-4 1:28:12摘要：介绍了基于ANSYS的蛄构优化设计的基本原理和方法，用ANSYS软件对u型管换热器的管板厚度进行了优化设计，得出了管板参数的最佳组合，为换热器的设计提供了理论依据。

关键词：ANSYSl优化设计；目标函数；管板中圈分类号：TQ051．5文献标志码}A文章编号：1005—2895(2006)010026—040引言结构优化是结构设计的一个重要方面。

在结构优化中，有限元方法是重要方法之一。

2O世纪6O年代以来，随着计算机技术的蓬勃发展，有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。

ANSYS 系统是第一个通过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[1]。

换热器管板是换热器中的重要部件。

根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。

它的变形情况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性的作用。

本文采用ANSYS有限元分析软件，建立换热器管板的有限元模型，加载求解，利用其优化功能模块进行优化处理，给出了管板参数的最优组合，为换热器的设计提供了有价值的理论依据。

1优化设计基本原理优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。

在一个设计优化工作之前，用3种变量来阐明设计问题，优化问题的数学模型可表示为[2]。

2ANSYS优化设计概述2．1优化变量优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量(DV)、状态变量(SV)和目标函数设计变量(DV)是优化设计中的自变量，通常包括几何尺寸(如截面面积、宽度、高度等)、材质、载荷位置、约束位置等。

基于ANSYS的双管板换热器管板厚度设计探讨杨玉强1，贺小华2，杨建永1（1．南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏南京210002；2．南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京210009）摘要：由于双管板换热器管板结构的多样性，其管板厚度设计方法目前国内没有标准可依。

针对某U型管及固定管壳式换热器双管板结构，根据SW6软件相应模块进行管板厚度近似计算，在此基础上采用ANSYS软件对管板结构进行热应力分析和优化设计，进一步讨论了聚液壳结构的影响。

分析结果表明，双管板换热器管板厚度采用SW6软件近似计算是安全的，但结果过于保守。

有限元优化设计有效地降低了管板厚度，为双管板换热器管板设计提供了有效手段。

关键词：双管板换热器；管板厚度；聚液壳；热应力；有限元优化设计中图分类号：TQ051．5；O241．82 文献标识码：A文章编号：1001－4837（2010）10－0030－06doi：10．3969/j．issn．1001－4837．2010．10．006 DiscussiononThicknessDesignofTubesheetforDoubleTube－sheetHeatExchangerbyANSYSYANGY u－qiang1，HEXiao－hua2，YANGJian－yong1（1．NanjingBoiler＆PressureVesselSupervisionandInspectionInstitute，Nanjing210002，China；2．Col-legeofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，China）Abstract：Duetothediversityofthetubesheetconstructionfordoubletube－sheetheatexchangers，thereisnonationaldesignstandardfortubesheetdesign．TheapproximatecalculationoftubesheetbasedonSW6softw arewasmadeforU－tubeandfixedshellandtubeheatexchangers，andthethermalstressa-nalysisandoptimizationdesignoftubesheetweremadebyANSYSsoftware，furthermore，theeffectoftheliquidgatheringshellwasstudied．Theresultsshowthattheapproximatecalculationofthedesignthick-nessoftubesheetfordoubletube－sheetheatexchangersbySW6softwareissafe，buttheresultiscon-servative．Optimizationdesignbasedonfiniteelementanalysishaseffectivelyreducedthedesignth ick-nessoftube－sheetandprovidedaneffectivemeansforthedesignoftubesheetfordoubletube－sheetheatexchangers．Keywords：doubletube－sheetheatexchanger；thicknessoftubesheet；liquidgatheringshell；thermalstress；finiteelementoptimizationdesign符号说明：L———双管板间距，mm f———换热管挠度，mm Db———排管圆直径，mmσt———换热管材料的屈服限，Mpa Et———换热管材料的弹性模量，MPaσtt，σss，σst———换热管端面拉应力、壳程筒体端面拉应力、换热管端面压应力，MPa［σ］———管板材料许用应力强度，MPaA1，A2———管板1和管板2在优化设计中的厚度，mmSMAX1，SMAX2———管板1和管板2在优化设计中的应力强度，MPaPs，Pt———壳程和管程设计压力，MPaAs，At———管板壳程侧和管板管程侧有效受压面积，m2Do，Di———壳程筒体外径和内径，mdo，di———换热管外径和内径，mNsh，Ntu———壳程筒体、管束内力，形量，mΔlEJ———每一个膨胀节产生的轴向变形量，mR———膨胀节的半径，mαsh，αtu———壳程筒体、管束材料的热膨胀系数，℃－1Δtsh，Δttu———壳程筒体、管束操作温度与制造装配温度的差值，℃Ash，Atu———壳程筒体、管束的横截面积，m2I———膨胀节惯性矩，m4E———膨胀节材料的弹性模量，MPal———壳程筒体的总长度，m0引言双管板换热器是在换热器一端设有一定间距的两块管板或相当于有一定间距的两块管板的换热器。

基于ANSYS的燃气热水器机体有限元分析及结构强度评估燃气热水器是一种常见的家用热水设备，它利用燃气燃烧产生的热能来加热水，并且具有体积小、使用方便等特点。

在燃气热水器的设计与制造过程中，结构的强度是一个非常重要的考虑因素。

使用ANSYS软件进行有限元分析和结构强度评估，可以帮助设计师们优化燃气热水器的结构，提高其强度和安全性。

有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种基于数值计算方法的结构分析技术，可以帮助工程师们在计算机模拟环境中评估结构的强度和性能。

在进行燃气热水器机体的有限元分析时，一般可以按照以下步骤进行：1.建立有限元模型：首先，根据燃气热水器的实际结构，使用CAD软件建立热水器机体的三维模型。

然后，将模型导入ANSYS软件，进行后续的有限元分析。

2.网格划分：在进行有限元分析之前，需要对热水器机体进行网格划分。

网格划分是将复杂的三维模型划分为多个小单元，以便进行数值计算。

在ANSYS中，可以使用网格划分工具对热水器机体进行网格化操作。

3.材料属性设置：在有限元分析中，需要给定材料的力学性能参数，如弹性模量、泊松比、屈服强度等。

根据燃气热水器机体所使用的材料，设置相应的材料属性。

4.边界条件设定：边界条件是指在有限元分析中对模型施加的约束和加载条件。

在进行燃气热水器机体的有限元分析时，可以通过设定固定边界条件、加载边界条件等来模拟实际工作环境。

5.强度评估：有限元分析完成后，可以通过查看模型的应力和位移分布来评估热水器机体的结构强度。

如果出现了应力集中、变形过大等问题，可以针对性地进行优化设计，改善结构的强度和刚度。

除了有限元分析，还可以进行结构的强度评估。

结构的强度评估是通过计算结构在受力状态下的应力和应变，来评估结构的强度和稳定性。

在进行燃气热水器机体的结构强度评估时，可以采用静力学分析、疲劳分析、振动分析等方法，以及进行裂纹扩展和疲劳寿命预测等工作。

基于ANSYS保温管道优化设计分析针对保温管道在工作条件下卡扣处存在着大量热应力的问题，本文选取了市场上通用的带卡扣PVC塑料保温管道为研究对象进行了有限元分析。

本文以热水通过后，对研究对象进行了热—结构耦合分析来确定保温管道结构具有的热稳定效果，并以保温管道的厚度为设计参数来尽可能降低保温管道在卡口处的最大热应力。

研究结果显示，在不影响保温管道正常工作条件下，通过适当增加保温管道的厚度可以有效的降低保温管道卡扣处的最大热应力，当保温管道的厚度为7mm时，其最大热应力最小，减低幅度为原来的14.7%。

标签：ANSYS；保温管道；管道厚度，优化设计Abstract：Aiming at the problem that there is a lot of thermal stress in the snap-fitting of insulation pipe under the working conditions，this article selected the general purpose PVC insulated pipe with snap-fitting on the market for the finite element analysis. After passing through the hot water，this article conducted a thermal-structure coupling analysis of the research object to determine the thermal stability of the insulation pipe structure，and to minimize the maximum temperature of the insulation pipe at the bayonet by using the thickness design parameters of the insulation pipe. Thermal Stress. The results show that the maximum thermal stress at the snap-in of the insulation pipe can be effectively reduced by appropriately increasing the thickness of the insulation pipe without affecting the normal working conditions of the insulation pipe. When the thickness of the insulation pipe is 105 cm，the maximum heat is obtained. The stress is minimal，reducing the original 40%.Keyword：ANSYS workbench；Insulation pipe；pipe thickness，optimal design0前言首先，由于PVC塑料材料具有良好热疲劳性，因此保温管道一般多采用塑料PVC为制作材料[1]。

基于ANSYS的换热器管板应力分析及其优化设计发布时间：2021-06-18T02:32:55.905Z 来源：《中国科技人才》2021年第9期作者：王宜亮[导读] 为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；江苏自动化研究所江苏连云港 222061摘要：为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；同时对此工况下各参数进行关联性分析和对管板进行优化分析。

结果表明：温度载荷对管板应力分布的影响程度最大，其次是管板厚度，压力载荷影响最小；管板可由原有的35mm厚度优化43%，在管板厚度降低至20mm后，仍满足安全要求，达到安全与经济兼顾。

关键词：管壳式换热器；管板；关联性分析；优化分析Stress analysis and optimization design of heat exchanger tube-sheet based on ANSYSWANG Yiliang( Jiangsu AutomationResearchInstitute, Lianyungang222061)Abstract: In order to study the complex stress on the tube-sheet of heat exchanger, the stress distribution of the tube-sheet was studied by using ANSYS Workbench and taking the influence of temperature load, pressure load and thickness of tube-sheet as the research object. It is concluded that tube-sheet is the most dangerous when the shell side of heat exchanger stops first. At the same time, the correlation analysis of the parameters and the optimization analysis of the tube-sheet are carried out. The results show that: the temperature load has the greatest influence on the stress distribution of the tube-sheet, followed by the thickness of the tube-sheet, and the pressure load has the least influence; the tube-sheet thickness can be optimized by 43% from the original 35mm thickness, and the safety requirements can still be met after the tube-sheet thickness is reduced to 20mm, which can achieve both safety and economy.Key words: Shell-and-tube heat exchanger; Tube-sheet; Relevance analysis; Optimization analysis0前言管壳式换热器管板的设计与优化是为了使换热器在实际运行中更加安全，能有效提高能源的利用率。

U形管换热器的整体结构设计第1章绪论管壳式换热器(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。

是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。

1.1 概述换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器[1]。

换热器的应用广泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。

它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%～45%。

它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

换热器既可是一种单独的设备，如加热器、冷却器和凝汽器等；也可是某一工艺设备的组成部分，如氨合成塔内的热交换器。

由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。

随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的换热器。

管壳式换热器按用途分为无相变传热的换热器和有相变传热的冷凝器和重沸器；按结构可分为固定管板、U形管、浮头式三种形式，而固定管板式换热器最为常见。

国内各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。

二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。

以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。

30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。

接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热1器，用于飞机发动机的散热。

30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。

在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。

U形管换热器管板的优化设计1概述管壳式换热器换热是为了实现物料之间的热量传递过程的一类设备，它在化工、能源、动力医药装置设备中应用最为广泛 ,因为管壳式换热器的结构非常坚固 ,并且能够选择多种材料进行制造 ,所以适应能力极强 ,尤其是在高温、高压和大型装置中得到了普遍性的应用。

【1】在管壳式换热器的各种型式中，U形管式换热器具有结构简单紧密、密封性能好、金属消耗小、制造价格低、热补偿性好、承压能力强等诸多优点，适用于高温、高压等工况。

U形管换热器的结构设计须要考虑材料、温度、压力、结垢情况、壁温差、流体性质以及检修与清理等多种因素，综合上述因素才能考虑来设计其结构形式。

[2]1-分程隔板；2-管箱；3-筒体；4-纵向隔板；5-U 形管；6-椭圆封头；7-拉杆；8-定距环； 9-折流板；10-支座；11-管板图1 U型管换热器结构图2换热器管板分析方法的发展世界上每个国家都有自己的管壳式设计规范，我国目前通用的是 99 年修订过的GB151-1999《管壳式换热器》。

国际上比较早出现的管板设计规范是美国的管壳式换热器制造商协会(TEMA)标准,虽然计算公式简单,但是适用范围和计算精度都有比较大的限制。

【3】前人对管板的研究以及各国的规范大多都采用等效板理论,这种方法在管板的实际设计中得到了非常广泛的应用"但是等效板法以弹性薄板理论为基础,用于厚管板分析的时候可能会存在较大的偏差;同时,各国的范都是基于管板载荷与约束均具有轴对称性而导出来的,实际上除了单管程和单壳程换热器的管板外,其余种类换热器管板都不可能满足这个条件;另外,采用无孔等效板还不能准确的模拟管板上温度场,尤其是在采用胀接与管子连接的同时,对管板温度场有重要的影响。

【4】计算机技术突飞猛进的发展使的有限元数值分析法在管板设计与研究上的应用成为了一种可能，该方法的最大优点就是可以充分的模拟管板的真实结构,和真实的载荷边界条件,而不受到管板厚度或者其他结构形式的限制和影响,所以越来越受到重视。

基于ANSYS的电热系统仿真与优化一、引言在电器、电子、汽车、机械工程等领域，电热系统被广泛应用。

电热系统的运行效率直接影响着系统的性能和寿命。

为了提高电热系统的效率和减少系统故障率，需要对电热系统进行仿真和优化。

本文将介绍基于ANSYS的电热系统仿真与优化的方法。

二、电热系统建模电热系统建模是电热系统仿真和优化的基础。

电热系统通常包括电源、电路、传感器、执行器和散热器等元件。

其中，电源为电路提供电能，传感器用于检测电热系统的工作状态，执行器根据检测结果采取相应的动作控制电热系统的工作，散热器则用于散热降温。

建立电热系统的模型，需要将电热系统中的各个元件进行建模和组装。

在建立模型时，需要考虑元件之间的相互作用和组装方式。

对于电路来说，需考虑电阻、电容、电感等元件对电路的影响。

对于散热器来说，则需考虑材料的导热性和热传递方式等。

三、电热系统仿真电热系统建模完成后，便可以进行电热系统仿真。

ANSYS是目前最为常用的工程仿真软件之一，其模拟功能强大，在电热系统仿真中有着广泛的应用。

在进行电热系统仿真时，需要设置电热系统的工作状态和仿真参数。

仿真参数包括电压、电流、温度等。

通过调整仿真参数，可以模拟电热系统在不同工况下的工作状态，比如在高温下的散热情况、在高电流下的电路功耗等。

在电热系统仿真时，需要注意选择合适的仿真工具和算法。

如果电热系统需要考虑非线性特性，就需要采用有限元分析方法进行仿真。

如果需要优化电热系统的散热效率，就需要采用流体动力学方法进行仿真。

四、电热系统优化在进行电热系统优化时，需要考虑电热系统的功率、效率和寿命等因素。

通过优化电热系统的结构和材料，可以提高电热系统的效率和降低故障率，延长电热系统的寿命。

电热系统优化的方法包括材料优化、结构优化和参数优化等。

在材料优化方面，可以通过选择导热性能好的材料或涂覆散热材料等方式提高电热系统的散热效率。

在结构优化方面，可以通过优化电路板的布局、增加风扇散热等方式提高电热系统的散热效率。

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基于ANSYS的热板优化设计谭伟强;杨铁牛【摘要】结合1300 mm ×500 mm热板的设计实例，讨论了热管等间距等功率分布导致热板表面温差偏大的原因.运用ANSYS软件对热管位置和功率同时进行优化，热板表面温差从12C降为5.4 C ，满足工厂使用要求；进一步分析了热管三段式分布，并据此再进行优化，得到热板表面温差为3.85 C ，且优化出来的间距和功率变化符合经验，对三段式热管功率的配比具有指导意义.%Taking the1300mm×500mm hot plate as design example, the paper discusses too big surface temperature difference in hot plates caused by equal spacing and power distribution. This study optimizes simultaneously the position and power of the heat pipe using the ANSYS, and as a result, the hot plate’s surface temperature difference decreases from12 C to5.4C, which can meet the requirements of factory use. It further analyzes the three-step power distribution of the heat pipe and optimizes it and the hot plate’s surface temperature difference is reduced to3.85 C and the optimized distance and power conforms to practical experience. The optimization is of guiding significance to the power matching of the three-section heat pipe.【期刊名称】《五邑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P62-66)【关键词】热板;瞬态热分析;ANSYS【作者】谭伟强;杨铁牛【作者单位】五邑大学机电工程学院，广东江门529020;五邑大学机电工程学院，广东江门 529020【正文语种】中文【中图分类】TQ330.4在橡胶注射机、平板硫化机等机械设备中均存在热板结构，其主要功用是为模具或制品提供热能和压力，以保证制品在加工过程中的温度和压力. 因此，热板设计的好坏直接决定了产品质量的高低. 传统的热板设计采用热管等间距等功率布置的方法，虽然简化了设计程序但由于忽略了热板本身的传热特性，导致热板表面温差大而影响使用性能. 因此，根据热板的结构和传热特性优化孔间距和管功率使其表面温差最小，是热板设计中面临的难题. 花丹红等[1]采用正交试验法对热管功率和热管位置进行了优化；李爽等[2]利用ISGHT与ANSYS集成的方法对热管排布进行了优化，在一定程度上也得到了较好的结果. 本文采用ANSYS对热管功率和热管位置同时进行优化，并在此基础上，针对热板中间温度高、两端边缘温度低的特点，按照热管功率三段分布的特性再进行优化，据此进一步降低热板的表面温差.1 ANSYS优化过程ANSYS瞬态热分析能够确定在某时间段内变化的温度分布和其他物理量，其载荷有温度、热流率、对流、热流密度、生热率等，本文以某工厂的热板瞬态热分析为例. 由于结构具有对称性，取热板的1/2建模，其侧面有9个热管孔，几何模型如图1所示.分割体后，控制总体单元尺寸，sweep划分网格，单元数，以孔间距和管功率为设计变量，孔间距总和为状态变量，热管表面温差（TEMP=表面最高温度-表面最低温度）为目标函数，进入ANSYS opt design模块先进行零阶优化给出初步的优化系列，在此基础上进行一阶优化，得到精度较高的解. 由于设计变量较多，优化过程容易出现局部收敛的情况，因此需不断调整设计变量，进行单次循环后继续优化，终止时间为.ANSYS优化流程如图2所示，其优化的过程主要分两大步：1）完成结构分析，并生成一个输入文件（不能采用GUI方式）；2）指定设计变量和状态变量，完成优化设计分析（可采用GUI方式）.因优化分析过程中的热板模型简单，编写代码容易，这部分程序不详述. 求解后根据优化对象的要求，需要有提取后处理的结果程序，这直接关系到优化的成败. 有限元获取表面参数值的方法有很多，比如逐点选取导出数值、遍历比较等等. 由于目标函数为表面温差，可以看出，无需知道热板表面每一节点的温度是如何分布的，只需搜索到温度最大值和最小值节点即可，采用ASEL、NSLA命令可完成对表面节点的搜索，NSORT、TEMP表明搜索的是节点温度，通过GET函数获取温度的最大值和最小值，做差即可得到最大表面温差值. 这种方法简化了程序、提高了优化速度. 部分程序如下：…/POST1ASEL，S，，，4NSLA，S，1CM，CE，NODENSORT，TEMP*GET，MAX，SORT，0，MAX*GET，MIN，SORT，0，MINTEMP=MAX-MINFINISH2 传热的数学模型在一般三维问题中，根据傅里叶传热定律和能量守恒定律可以建立传热问题的控制方程，即瞬态温度场在直角坐标中应满足如下的微分方程[3]：其中，为瞬态温度，；为材料比热，；为时间，；为导热系数，；为材料密度，. 由式（1），材料比热、导热系数、材料密度必须是已知的. 热板的材料比热，导热系数，材料密度. 在ANSYS的Define Material Model Behavior 中输入材料性能，模型网格划分离散化后，通过节点传递温度.ANSYS加载过程中，需要确定温度场的边界条件，即以哪种形式加载. 假设热板不考虑热辐射和材料物性参数变化，不计热管的热量损失，认为周围空气温度恒定，那么1/2模型热板的边界条件就只有热管孔上的热流量和热板与周围空气的热对流. 因此，ANSYS施加载荷时，只需在热板的上下表面、前后侧面和右侧面施加热对流（CONV）面载荷，热板所处的环境温度初始值为；在热管孔内表面上加面载荷热流量（可用热流密度（HFLUX）来反映）. 根据热流密度的定义，平均分配到每根热管的热流密度为：其中，为热流密度，；为热板总功率，；为热管表面积总和，；为热管孔个数；为热管半径，；为热管长度，. 本文中热管孔为，为，为9，1/2模型热板的总功率在左右，根据式（2）得到热管的平均热流密度为.ANSYS优化过程中首先需要对孔间距和管功率进行初始赋值，本文将传统的等间距等功率热管设为初始状态（即，，）进行优化，以较快地找到最优解. 第一次求解完后进行循环迭代，根据声明的设计变量、状态变量、孔间距和管功率参数通过零阶、一阶优化方法不断逼进目标函数，找到最优解.合理设计变量和状态变量的约束范围可以较快找到最优解. 根据热板的传热特性可知，热板升温过程中上下表面和右侧面可以与周围环境进行对流换热从而影响温度分布，由于热板是1/2模型，故左侧面不加温度载荷，等间距布局为初始位置，其余为，为避免功率分布差异太大，设定范围约束热管可以在初始位置左右移动，即管间距最小值为、最大值为，离左侧最小值应有一个热管孔的空间，即最小值为. 功率分配初始值均为，考虑到靠近左侧部分热管功率变化不是太大，变化范围可设定小些；右侧与空气换热多温度变化明显，可设置较大的变化范围. 本文优化设计的参数如下：设计变量：孔间距，管功率状态变量：目标函数：TEMP=MAX-MIN约束范围：，，；，3 结果分析本文对热管位置和功率的不同分布形式做了分析. 其中，图3是传统等间距等功率分布的求解结果云图，热管表面最高温度，最低温度，温差，最高温度在中间，最低温度在边缘. 根据行业标准HG/T2398—1992对热板表面温差的要求：优等品，一等品，合格品[4]，传统的热管等间距等功率的分布不符合要求，主要原因是忽略了热板的传热特性. 按图2所示的ANSYS优化流程对热管间距和功率进行优化，结果见图4：热管不是等间距等功率分布的，表面最高温度，最低温度，优化后表面温差由降至，达到了一等品的标准. 优化后的孔位置和管功率很难是等间距等功率分布的，管间距分布为，，，，功率分布为，，，. ANSYS内部的优化函数考虑到了热管孔位置和管功率对目标函数（表面温差）的影响，在表面温差最小这一条件下，按照图2优化流程图，循环逼近找到最优解，得出图5循环曲线图，该图已除去循环过程中产生的偏离目标值较大的点.实际上，同一个热管孔可分布着3段不同的功率，如图6所示，而这种分布符合吴文山等[5]关于热管功率三段式分布的研究.三段式热管的获得过程：1）ANSYS先对热管间距和功率进行一次优化，得到图4结果云图；2）固定一次优化后热管孔的位置，只进行功率优化，再将热管孔分成三段加载，如图7所示，保证中间高温部分的热管功率不变（功率分布与图4一样），让两端温度向中间逼近（从图4云图可得出三段热管的长度即中间高温部分，两端低温部分各）；3）以两端低温部分的热管功率为设计变量，进行二次优化，图8是热管功率三段式分布的优化循环图（该图已除去循环过程中产生的偏离目标值较大的点），曲线最后趋于平缓表明函数收敛得到了最优解. 图9结果表明：热管三段式分布优化后进一步减小了热板表面温差，其值为，优化出来的间距和功率变化符合经验. 圆整后，最终间距和功率分配如下：间距/mm：，，，中间部分功率/W：，，，边缘部分功率/W：，，，4 结束语用ANSYS有限元软件对的热板进行了温度场模拟，并用opt design模块对热板间距和功率进行参数优化设计，得到了较好的结果，证明了这种优化方法的可行性. 优化分析结果显示，热管孔间距分布和各热管功率的配比是造成热板表面温差偏大的主要原因，变间距变功率分布方式优于等间距等功率分布，同一管孔功率三段式分布优于功率均匀分布，热板表面温差从降为，为热板的设计提供了参考依据. [1] 花丹红，汪超，李金国. 橡胶注射机模具加热系统温度场优化设计[J]. 模具工业，2008, 34(10): 55-59.[2] 李爽，董林福，李旭日，等. 电热平板硫化机热板温度场优化设计[J]. 橡胶工业，2006, 53(12): 747-749.[3] 龚曙光，黄云清. 有限云分析与ANSYS APDL编程及高级运用[M]. 北京：机械工业出版社，2009.[4] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. HG/T2398—1992中华人民共和国化工行业标准[S]. 北京：化学工业出版社，1992.[5] 吴文山，林康，李金国. 基于温度场分析的热板功率分布设计[J]. 轻工机械，2008, 26(4): 32-34.[责任编辑：熊玉涛]。