基于ANSYS平台尿素合成塔自动化分析程序开发: 参数化建模部分之（二）_CAE_产品创新数字化(PLM)_文章

本文详细介绍了尿素合成塔有限元模型通用程序开发过程，而且对各个开发模块进行验证，证明其可用性。

基于ANSYS平台尿素合成塔自动化分析程序开发:参数化建模部分之（一）

4.3 焊缝模块

焊缝部分是尿素合成塔应力场数值模拟的难点，其原因主要有：

（1）应力状态复杂，需要理解问题本质，合理施加载荷；

（2）焊缝形状复杂，参数化数值模拟应将影响应力情况的主要因素参数化。

选择实际图纸尿素合成塔深环焊缝的形状作为有限元焊缝模型的开发标准，并参照GB150-1998多层容器焊缝形式对参数化的焊缝模块进行程序开发。焊缝部分的图纸形式、GB150-1998形式及有限元形式分别如图1-8、1-9和1-10所示。

图1-8图纸焊缝形式
Fig.1-8 welding line shape in drawing

图1-9GB150-1998焊缝形式
Fig.1-9 welding line shape of GB150-1998

图1-10焊缝有限元形式
Fig.1-10 finite element model of welding line

（1）构造参数和数学关系式

通过图1-10及前面的分析，深环焊缝部分需要控制的模型参数主要有焊缝的坡口角、焊缝宽度（即焊缝主体部分最小宽度），配合层板模型生成焊缝的位置及生成焊缝的数目等。

在焊缝部分需要解决的问题主要有：

（a）焊缝宽度需要通过最小宽度和输入的坡口角自动计算；

（b）焊缝生成的位置需要调用层板模型的生成位置并选择焊缝在层板上的具体位置；

（c）焊缝的总长度需要调用层板模型的径向厚度自动完成计算；

（d）生成焊缝的数目需要根据分析模型的筒节数目自动计算；

（e）焊缝在封头与筒节连接处因其模型外形上的差异，需单独作处理。

通过分析，基于上述所选焊缝结构形式，参数化的焊缝只需控制坡口角和焊缝最小宽度两个参数就能实现焊缝的参数化建模。其它参数可通过这两个参数结合层板模型尺寸构造方程式得出。为减小建模工作量，并使焊缝模块使用起来更加简洁，这些方程编辑到程序里面，需要时自动调用。使用ANSYS的APDL工具开发出焊缝模块参数输入窗口如图1-11所示，其最后一个参数是为方便分析不同筒节数目的模型需要而设定的，参数代表含义如表1-2所示。

图1-11 焊缝参数输入窗口
Fig.1-11 The input window of welding line parameters

表1-2 焊缝参数说明表
Table.1-2 Welding line parameters

（2）焊缝APDL宏程序说明

焊缝有限元模块在输入最初设定的两个参数后，按照从下到上的建模思想，对APDL宏程序进行开发，其宏程序完成建模的具体步骤如下：

（a）调用层板模块相关参数，通过构造方程的方式确定并生成焊缝关键点坐标，其关键代码如下：

    k,4*(Num_2D+3)+1,Rad_2D,Y_2D-wsw/2-lami_1*TAN    (ws_rad),,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+2,Rad_2D,Y_2D+wsw/2+lami_1*TAN    (ws_rad),,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+3,Rad_2D+lami_1,Y_2D+wsw/2,,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+4,Rad_2D+lami_1,Y_2D-wsw/2,,,,,
    A,4*(Num_2D+3)+1,4*(Num_2D+3)+2,4*(Num_2D+3)+3,4*(Num_2D+3)+4
    k,4*(Num_2D+3)+5,Rad_2D+lami_1+lami_2+ (lami_3)/10+2*Gap_2D,Y_2D-wsw/2,,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+6,Rad_2D+lami_1+lami_2+ (lami_3)/10+2*Gap_2D,Y_2D+wsw/2,,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+7,Rad_2D+lami_1+lami_2+lami_3+ (Num_2D+2)*Gap_2D+Num_2D*Th_2D,Y_2D+wsw/2+    (Num_2D*Gap_2D+lami_3/2+Num_2D*Th_2D)*TAN (ws_rad),,,,,
    k,4*(Num_2D+3)+8,Rad_2D+lami_1+lami_2+lami_3+ (Num_2D+2)*Gap_2D+Num_2D*Th_2D,Y_2D-wsw/2-    (Num_2D*Gap_2D+lami_3/2+Num_2D*Th_2D)*TAN(ws_rad),,,,,
    A,4*(Num_2D+3)+5,4*(Num_2D+3)+6,4*(Num_2D+3)+7,4*(Num_2D+3)+8

    （b）通过关键点生成焊缝面，并根据实际图纸通过关键点生成盲板层焊缝接头，关键代码如下：

    al,4*(Num_2D+3)+3,4*(Num_2D+4)+5
    al,4*(Num_2D+3)+1,4*(Num_2D+4)+6
    al,4*(Num_2D+4)+3,4*(Num_2D+4)+7
    al,4*(Num_2D+4)+1,4*(Num_2D+4)+8
    k,4*(Num_2D+5)+1,Rad_2D+lami_1,Y_2D+1
    k,4*(Num_2D+5)+2,Rad_2D+lami_1,Y_2D-1
    k,4*(Num_2D+5)+3,Rad_2D+lami_1+lami_2,Y_2D-1
    k,4*(Num_2D+5)+4,Rad_2D+lami_1+lami_2,Y_2D+1
    A,4*(Num_2D+5)+1,4*(Num_2D+5)+2,4*(Num_2D+5)+3,4*(Num_2D+5)+4

（c）通过ANSYS的布尔操作命令将形成焊缝实体模型的各个面联合成一个整体，至此，焊缝有限元实体模型生成完毕，其关键代码如下：

    ASEL,S, , , Num_2D+3+1
    *DO,I,1,6,1
    ASEL,A, , , Num_2D+3+1+I
    *ENDDO
    AADD,all
    allsel,all
    NUMCMP,ALL

5 尿素合成塔实体模型建模方法

综前所述，尿素合成塔有限元参数化分析在其层板模块、封头模块和焊缝模块建模程序完成后，其各个模块之间是孤立的，尚未形成一个真正意义上的参数化有限元分析实体模型的完整程序。下面的内容详细说明将这三个孤立的模块通过内部方程连合成一个整体的方法，并简略介绍程序完成后如何使用该通用程序建立尿素合成塔2D有限元分析模型。

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5.1 尿素合成塔实体模型整合

三个模块的程序开发完成后，需要将其整合成一个整体，才能用来作为尿素合成塔分析建模的完整程序，其过程如图1-12所示。

图1-12尿素合成塔建模程序整合图
Fig.1-12 The combination process of urea reactor model

使用APDL工具完成上面的整合过程，具体步骤如下：

（1）根据层板模型的位置，设定第一个焊缝的初始位置为第一筒节的下端，并以此为前提通过ANSYS命令建立关键点生成第一个焊缝；

（2）根据模型的筒节数目，调用该参数通过ANSYS复制的命令生成与筒节数相同个数的焊缝，并使其生成位置与预期位置一致。

通过ANSYS布尔操作，使焊缝模块与层板模块结合起来，宏程序中关于此功能的关键代码如下：

    Agen, 2,Num_2D+4,,,0,Len_2D,,,,
    Agen,2,Num_2D+4,,,lami_1+lami_2+lami_3+Num_2D*Th_2D+100,Len_2D,,,,
    ASEL,S, , , 1
    *DO,I,1,Num_2D+2,1
    ASEL,A, , , 1+I
    *ENDDO
    cm,lami_a,AREA
    ALLSEL,ALL
    ASEL,S, , , Num_2D+4
    ASEL,A, , , Num_2D+5
    cm,seam_a,AREA
    allsel,all
    ASBA,lami_a,seam_a,DELETE,DELETE

在焊缝模块与层板模块结合好之后，通过调用这两个模块的参数构造封头的位置坐标，并生成封头的实体模型面，关键代码如下：

    adele,1,,,1
    allsel,all
    cm,modle_a,AREA
    Agen, tong_num,modle_a,,,0,(Len_2D),,,,
    Agen, 2,Num_2D+5,,,0,tong_num*(Len_2D),,,,
    sum_th=Rad_2D+lami_1+lami_2+lami_3+Num_2D*Th_2D+Gap_2D*(Num_2D+2)
    CYL4,0,tong_num*Len_2D+Y_2D,Rad_2D,0,Rad_2D+lami_1,90        CYL4,0,tong_num*Len_2D+Y_2D,Rad_2D+lami_1,0,sum_th,90

处理已在预期位置的封头模块，使其与焊缝和筒节模块形成一个整体，共同组成尿素合成塔参数化有限元分析的2D建模程序，关键代码如下：

    ASEL,S, , , tong_num*(Num_2D+4)+2
    ASEL,A, , , tong_num*(Num_2D+4)+3
    cm,feng_a,AREA
    allsel,all
    ASBA,feng_a,tong_num*(Num_2D+4)+1
    Agen, 2,tong_num*(Num_2D+4),,,0,Len_2D,,,,
    NUMCMP,ALL
    k,100000,0,Y_2D
    k,100001,1700,Y_2D
    LSTR,100000,100001
    LSEL,S,LOC,Y,Y_2D,Y_2D+0.0000001
    cm,DI_L,LINE
    ALLSEL,ALL
    ASBL,Num_2D+5,DI_L
    ADELE,tong_num*(Num_2D+4)+5,,,1
    AGLUE,ALL

在整个尿素合成塔建模程序中，为使建模程序简洁易用，只使用两个需要输入参数的窗口来驱动程序。一为层板模块输入参数窗口，二为焊缝模块输入参数窗口，封头模块及模型整合等一并写入这两个宏命令中，通过APDL强大的调用功能来相互调用，完成尿素合成塔建模的整个工作。

5.2 尿素合成塔建模方法

尿素合成塔建模程序完成后，这里对使用该程序如何建立尿素合成塔分析的实体模型作简略介绍。当尿素合成塔模型的宏命令完成后，使用APDL建立新的工具条，通过设定工具条上的按钮，为调用尿素合成塔建模程序建立快捷按钮，如图2-13所示。