（化工过程机械专业论文）超临界萃取釜快开式结构分析系统研究与开发.pdf

摘要 超临界流体萃取过程在高压下进行，且多为间歇操作，萃取釜中的物料需要 频繁更换，也需要经常打开清洗，因此，超临界流体萃取过程特点决定了萃取釜 需采用快开密封结构。由于这些快开密封结构的设计过程复杂，目前国内尚无完 整的设计应用程序。 本文针对超临界萃取釜快开密封结构的设计现状，采用v b 及a n s y s 的参 数化设计语言a p d l 作为软件开发编程语言，对超临界萃取釜参数化软件分析 系统作了研究与实践。本文的主要研究内容如下： 1 ) 参照j i s b 8 2 8 4 2 0 0 3 压力容器快速开关盖装置及h g 2 0 5 8 2 1 9 9 8 钢 制化工容器强度计算规定，对无楔入剖分卡箍型、整体卡箍型、整体相连齿啮 式卡箍型等萃取釜的快开密封结构进行设计及模型结构的简化。 2 ) 应用j b 4 7 3 2 9 5 钐黝缆 杉钐钐觋 猊 镡 彩钐形。j 缴么 卜 一 4 ： g ： n - 一， 一一一 图4 - l 变黉参数图 f i g 4 - lp a r a m e t e rf i go fv a u r i a b l e 其中，j 2 5 ，璧= 9 7 5 ，乃= 1 4 7 5 ，仁7 7 5 ，府= 7 1 5 ，萨1 0 7 5 ，7 = 9 5 5 ，盯= 3 3 0 ， f 2 = 2 5 0 ，疗= 2 4 0 ，= 2 3 5 ，f 乒2 0 0 ，f 6 = 2 3 0 ，7 三- 2 5 0 ，f 8 b 1 5 0 ，f 9 毫1 5 2 ，拧= 8 。 简体下端远离卡箍快开密封结构处的距离培由公式f 8 2 5 m 得到，舻 11 6 9 m m ，模型取胆l5 0 i 砌。 在疲劳分析方面，设计疲劳循环次数为1 0 0 0 0 次，水压试验次数为6 次，而设计 疲劳曲线s - n 需要通过应力强度幅进行选择，因此在应力分析结束再进行s - n 数据 选择。 硕士学位论文 4 2 应力分析计算 根据4 1 节的设计计算条件，对下图4 2 进行变量参数的输入，依次输入各参数 值，点击确定按钮，生成仪t 文件，信息提示界面如图4 3 所示；点击计算按钮，软 件即自动进行调用a n s y s 建立该无楔入剖分卡箍型快开装置的有限元模型并对其进 行有限元分析的全过程。成功调用a n s y s 的信息提示界面及对该无楔入剖分卡箍型 快开装置进行有限元分析完成的信息提示界面如图4 - = 4 所示。 图4 2 参数设置界面 f i g 4 - 2i n t e r eo f t t i n gp a m m e t e 玛 4 i 第四章5 l 无楔入卡箍型超临界萃取釜快开结构分析计算实例 图4 3 生成能文件 f i g 4 - 3t ) ( tf i l ei sb ec r e a t e d 图4 - 4 计算结果 f i g 4 _ 4c a l c u i a t o n 他s u l t 有限元分析完成后，点击返回按钮，返回名为“计算结果”的界面，点击无楔入 剖分卡箍型右面的名为“正面 的按钮，即可得到该超临界萃取釜无楔入式剖分卡箍 型快开装置的有限元应力分析结果，如图4 5 所示。因为此结构为完全轴对称结构， 所以在建模过程中，采用二维模型，只需要显示正面方向的应力云图即可。而对其它 4 2 硕士学位论文 结构进行分析时，则需要显示j 下面、右面、底面和三维方向的应力云图。 圈4 5 胜力石图 f i g 4 - 5s t r e s sn e p h o 趼硼 点击返回，即回到“计算结果 界面继续其它结构的分析，注意一点，在进行其 它结构应力分析之前，首先要把之前生成的v b 目录下的应力云图删除掉，应力云图 是以自定义文件名的形式保存的，如不删除，其他结构的云图将不能被准确地调用。 应力云图结果与参考文献中 1 8 中的计算结果进行比较，结果及云图显示近似， 由此可以判断此分析软件在应力分析模块部分的正确性和可靠性。 4 3 疲劳分析寿命分析计算 4 3 1 设计疲劳曲线选择 本装置材料为o c r l 8 n i 9 ，属于奥氏体不锈钢，所以在选取s n 曲线时，需要以 j b 4 7 3 2 9 5 为标准，根据温度不超过4 2 5 和疲劳应力幅勋 1 9 4 m p a 或鼢1 9 4 m p a 的准则来进行选择。 对于s a 的计算，严格的讲，从最高压力到最低压力确定交变应力强度幅时只能 用两种工况计算所得的结果相减并计算应力强度，再去寻找具有最大应力强度幅的位 置，最终确定最大应力强度幅。由图4 5 可知最大应力处位于简体与卡箍接触位罨的 拐角处，最大应力强度幅为1 2 8 9 m p a 。 由于应力强度幅小于1 9 4 m p a ，根据j b 4 7 3 2 9 5 应使用图c 3 的s 悄数据进行疲 4 3 第四章5 l 无楔入卡箍型超临界萃取釜快开结构分析计算实例 劳计算。但具体使用c 3 中的a 、b 、c 中的哪一条曲线还要根据一次加二次应力 ： ( 纠+ 肋+ q ) 范围是否大于1 8 8 m p a 以及是否考虑了平均应力而定，为此根据最大应 力强度幅位置上节点做应力评定路径。 应力评定过程为：在f i l e 中选择r e a di i lp u t 舶m 把v b 设置路径下系统生成的 砌q u 血1 t x t 结果导入a n s y s ，在后处理器中，进行路径分析，所得线性化处理结果 如图4 - 6 所示： 图4 _ 6 简体端部线性化处理应力 f i 辱4 _ 6l i n e 撕ds t f e 豁f o rc y i i n d e re n d 由线性化处理应力图可知，j p l + n + q 为2 5 7 7 大于18 8 m p a ，且最大应力强度幅 为考虑了平均应力的影响，故应选择曲线c 。温度不超过4 2 0 和跹1 9 4 m p a 时设计 疲劳曲线图如图4 7 所示【4 8 】： s o 工i i i - i k b l觥y矧盯咛眶盯m眈耵_洲似肼鲫鲫皿疆删舯鲫忿髓w s r 7 5 s 5 e 11 r。-i。f t 口u s t b万娜灯盯玎舯砩 t t t t 硕士学位论文 4 3 2 有限元疲劳分析结果 缔榭 图4 7 设计疲劳曲线 f i g 4 - 7d c s i 印缸i g u ec u n r e 点击下拉菜单中的无楔入剖分卡箍型，再次进入图4 - 2 的无楔入剖分卡箍型分析 界面，点击疲劳分析控件，进入如图4 8 所示界面，根据旧4 7 3 2 9 5 图c 3 中的曲线 c 数据进行疲劳参数设置，完成设置后，点击返回4 2 界面，点击确定按钮，生成关 于疲劳分析的b ( t 文件；点击计算按钮，软件即自动进行调用a n s y s 进行该无楔入 剖分卡箍型快开装置的有限元疲劳寿命分析的全过程。 压力设置一；= 二二二= ：二 最高工作压力p l ( 肝a ) 1 6 3 5 水压实验压力p 3 ( 职a ) r 1 高底压循环次数i l1 1 水压实验次数1 2 r s 呻i 数据设置 nsns 再r 圆r l 蟊广 际r 医广 臣r 瓯r 吁r i i i r 一 隔广 匝r 一 町r 一 阿广 瞬一 瞬一 同一 9 吓矿 l o 阡广 1 1 厂一 1 2 广一 1 3r 1 4 厂一 1 5 厂一 1 6 r 一 阿一 瓯一 厂一 广一 广一 广一 厂一 广一 图4 8 疲劳分析界面 f i g 4 8i n t e r f l c eo ff ；l t i g u ea n a l y s i s 在生成的o u t p u t l 僦文件最后，找到“c u m u l 删e 汀i g i 厄u s a g e 即得 到疲劳分析结果，如图4 - 9 所示，其中0 0 0 2 l l ，所以可以判断超临界萃取釜无楔入 剖分卡箍型快开结构的疲劳寿命合格【4 刀。 4 5 3 9 5 1 7 强0 & 2 班m 懈m m 似姬娩 冈曰吲h耐国 第四章5 l 无楔入卡箍型超临界萃取釜快开结构分析计算实例 c u h u l n t i u ef n t i g u eu s r g e -0 0 0 2 1 e xitt h er h s v sp o s td n t a 8 a s ep r o c e s s o r 图4 9 疲劳分析结果 f i g 4 9r e s u l to ff a t i g u e 锄a l y s i s 4 4 分析计算与理论计算的结果对比 由于萃取釜需要经常开关釜盖，压力随加压和卸压过程上下波动，因此在分析其 各危险点应力的同时，应该对其进行疲劳失效分析。根据3 5 2 节疲劳分析步骤，按 j b 4 7 3 2 9 5 ：钢制压力容器一分析设计标准，通过分析5 l 萃取釜卡箍快开结构的计 算疲劳累积损伤效应来进行疲劳分析。 设计使用次数：1 0 0 0 0 次，操作状态：0 5 l m p a 内压力，设计每3 小时加载、 卸载循环一次。考虑正常工作循环、水压试验循环这两个显著应力循环的疲劳累积损 伤效应。 正常工作循环时，压力卢5l a ，交变应力强度幅l = 1 2 8 9 m p a ，查设计疲劳 曲线，可知允许循环次数l = 5 0 0 0 0 0 0 次，寿命期内预计循环次数刀l = 1 1 0 4 次，使 用系数m 吲l 佻= 0 0 0 2 ； 水压试验循环时，压力卢6 3 8 m p a ，交变应力强度幅2 = 1 5 6 3 m p a ，查设计疲 劳曲线，可知允许循环次数2 2 0 0 0 0 0 0 次，寿期命内预计循环次数2 = 6 次，使用系 数踢嘲舯3 e 6 ： 计算累积使用系数泸矾+ 沈：o 0 0 2 1 o ，可知累积使用系数小于1 o ，疲劳分析 合格。 通过理论计算结果与图5 9 所示结果进行对比，由于两者结果相近，从而证明了 此软件疲劳分析模块部分的正确性和可靠性。 文献 6 1 中讲到：在中小型超临界萃取设备中，通常不做疲劳分析，因为中小型 设备的容积较小，而釜的壁厚也较小，我们在核算强度的时候采取将安全系数加大的 办法来处理，这样就可以只考虑强度问题。本文通过5 l 萃取釜的疲劳分析，认为在 设计循环次数下，该釜不会出现疲劳破坏现象，与文献报道一致，即中小型超临界萃 取设备可不做疲劳分析。 4 5 小结 本章利用本文开发的超临界萃取釜参数化有限元分析软件，以其中的一种无楔入 4 6 硕士学位论文 剖分卡箍型快开结构为例进行有限元分析，其应力结果与参考文献 1 8 理论分析结果 接近，疲劳分析与j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器一分析设计标准理论计算结果相近， 因此验证了此软件的实用性和可靠性。 4 7 第五章结论与展望 5 1 结论 第五章结论与展望 当前的有限元法是随着计算机应用的日益广泛和数值分析技术的日益发展而迅 速形成的一种有效的数值方法，它的成熟应用使得对超临界萃取釜的工作情况进行数 值模拟成为现实。有限元法将在一定程度上可以取代实验，以达到降低成本、缩短研 制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的强度信息，为设计者进行设计和优化萃取 釜设备提供了依据。尤其是在a n s y s 这一融结构、热、流体、电磁、声学于一体的 大型c a e 通用有限元分析软件逐步推出之后，有限元法在数值模拟的结构计算中得 到了更深入的应用，已成为校核强度必不可少的工具和手段，是设计者以最快、最经 济的途径。 本文在总结超临界萃取釜有限元分析方法的基础上，利用v b 和a n s y s 二次开 发工具a p d l 开发出了超临界萃取釜应力及疲劳寿命分析系统软件，此系统包括应力 分析模块和疲劳分析模块。本文在设计超临界萃取釜分析系统的基础上，归纳总结了 利用v b 和a n s y s 二次开发工具a p d l 进行a n s y s 二次开发的基本方法和过程。 通过本文的研究，得出如下结论： 1 ) 本文将a n s y s 二次开发技术首次应用于超临界萃取釜快开密封装置和筒体 的应力分析，开发出完整的分析系统。此系统包括非线性分析、线性分析和疲劳分析 模块。 2 ) 通过实例计算，证明运用本系统可以完成超临界萃取釜各部分应力及疲劳寿 命分析计算。其中以无楔入剖分卡箍型为例，系统分析结果与手动及理论分析结果差 别较小，达到分析精度要求；本系统不仅概念明确，而且可以免去很多重复性的繁杂 工作，与普通的手动建模、求解过程相比可以大大节约时间，提高工作效率。 3 ) 本系统采用中文前台交互界面，易于掌握。一般设计人员可以根据提示及帮 助文件正确完成结构的应力及疲劳寿命分析，使其从有限元理论和有限元软件漫长的 学习中解脱出来，将精力放在设计本身上。 由于时间等客观因素的影响，本文的研究还存在以下不足： 1 ) 本文对于疲劳寿命分析模块的结果显示问题，没有能够达到使用v b 成功调 硕士学位论文 用的目的，只能通过v b 的o u t p u t t x t 文件来查找它的结果数据或通过在a n s y s 人机 交互界面下把v b 生成的c u i q u 丘t x t 文件导入到a n s y s 中，运行a n s y s 来显示最 。后结果。 2 ) 本文在进行应力分析结束后，只能显示不同方向的应力云图，而不能深入的 对最大应力节点进行路径分析，主要是由于不能确定在壁厚另一侧与最大节点对应的 最短路径的节点号的具体数值所造成的。因此本文只能通过把v b 生成的僦文本文 档导入a n s y s 通过人机交互界面进行路径分析以达到强度校核的目的。 5 2 展望 1 ) 开发针对于快开式超临界萃取设备设计的分析软件，建立超临界流体高压萃 取设备设计的专家系统。 2 ) 增加网络支持功能，实现对超临界萃取釜参数化有限元分析系统的远程设计， 远程访问、查询、修改等。 3 ) 通过对最大节点在路径分析中对应的另一侧节点数值的设定，达到a n s y s 自动进行应力强度的计算过程，并通过v b 达到调用计算结果的目的。 4 ) 实现v b 对疲劳寿命分析结果文件的调用，不必通过查看v b 生成的o u t p u t 僦 文件来查找结果的目的。 4 9 参考文献 参考文献 【1 】李洲分离技术的进展【j 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二次开发技术在锚索桩优化设计中的应用田路基工程 2 0 0 7 ，( 0 2 ) ：8 9 9 1 二 【5 5 】杜雪松，林腾蛟，李润方等a n s y s 二次开发及其在压力容器热态密封分析 中的应用【j 】机械设计与研究2 0 0 4 ，2 0 ( 0 4 ) ：7 8 8 0 【5 6 】张鹏，季忠基于和a n s y s 接口的板料激光成形有限元分析系统【j 】冲 压2 0 0 6 ，41 ( 0 3 ) ：5 6 5 9 。 【5 7 】王鹰宇，姚进，成善宝基于a n s y s 环境的参数化有限元建模【j 】机械 2 0 0 3 ，3 0 ( 0 4 ) ：l2 l5 【5 8 】j i sb8 2 8 4 2 0 0 3 日本工业标准压力容器快速开关盖装置【s 】 【5 9 】g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器【s 】 【6 0 】郭道宜波纹管膨胀节绘图软件的研究与开发【d 】南京：南京工业大学， 2 0 0 6 【6 l 】杨桢，郑奋勇，李琳超临界c 0 2 萃取设备设计方法探讨阴食品与机械 19 9 7 ，( 0 5 ) 2 7 2 8 5 3 附录y b 程序中部分源程序 附录v b 程序中部分源程序 主界面： p r i v a t es u bc o n u n a n d l c l i c k o f o n n l h i d e f o 加：1 2 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc l l i l l i e s 毗c i i c k o f o m 也h i d e f o 彻5 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bh u a n x i n g _ c l i c k o f o 枷n 2 h i d e f o 肌6 s h o w e n ds u b 蹦v a t es u bj i e 目娜c l i c k o f o 加a 2 h i d e f o 肌8 s h o w e n ds u b p r i v a c es u bji s u a l l - c l i c k o e n ds u b p r i v a t cs u b 、u x i e m - c l i c k o f o m ：1 2 h i d e f o m 4 s h o w e n ds l l b p r i v a l 【es i i bx i e r u p o u f c i l 。c l i c k o f o m 心h i d e f o 锄7 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bz i l e n g t i _ i c l i c k o 硕士学位论文 f o 棚f 1 2 h i d e f o 肌3 s h o w e n ds u b p r i v a l 【es u bc o l m n a n d 3 c l i c k o f o r m 4 h i d e f o m ：1 2 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o i n m 觚d 4 - c l i c k o f o 朋【1 4 h i d c f o m 9 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o m m 觚幔c l i c k o f o 珈r d h i d e f o m ：1 2 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o 删m 锄d 4 j ：l i c k o f o 加以h i d e f o m 9 s h o w e r l ds u b p r i v a t es u bc o m m a n d t _ c l i c k o f o 珊5 h i d e f o 加 1 2 s h o w e n ds i i b p r i v a t es u bc o m m 锄d 4 _ c l i c k o f o m 5 h i d e f o m 9 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o i 锄锄d 4 _ c l i c k o f o m 6 h i d e f o m 也s h o w 附录v b 程序中部分源程序 e n ds u b p r i v 砷es u bc o 删【i l 锄d 4 g l i c k o f o r m 6 h i d e 。 f o m 9 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o m m 锄d 4 j ：l i c k o f o 肌7 h i d e f 0 m ：1 2 s h o w e n ds u b p r i v a 【t es u bc o m m 狮d 4 _ ( ：l i c l 【o f o m 7 h i d e f o m 9 s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o i m 锄m c l i c k o f o 册8 h i d e f o m 心s h o w e n ds u b p r i v a t es u bc o i 姗锄d 4 _ - c l i c k o f o 肌8 h i d e f o m 9 s h o w e n ds u b 导入几何模型( 以无楔入剖分卡箍式结构分析为例) 打开保存在c 盘印d l 下的名为c u i q u 如l 的命令流文本文档： o p e n c ：d l c u i q u 允1 仅t ”f o ro u t p u t a s 撑l 进行环境设置： p r i n t 撑1 ，”f i m s h p r i n t 撑l ，c l e 盯 p 血t 撑l ，”娟m ，d e g - p r i n t 撑l ，屉l e n 锄e ，c i l i q u 肌1 n 硕士学位论文 进行变量参数的设定 进行压力设置： p r i n t 捍1 ，”s e t ，p ”；t e x t 2 2 t b x t 装置结构尺寸变量值的设置： p r i n t 撑l ，s e t ，r 1 ，；t e x t l t e x t p r i n t 拌1 ，s e t r 2 ，；t e x t 2 t e x t p r i l l _ t 撑1 ，”s e t ，r 3 ，；t e x t 3 t e x t p r i n t 撑1 ，t r 4 ，”；t e x t 4 t e 妣 p 血t 群l ，s 鸭r 5 ， ；t c x t 5 t e ) ( t p r i n t 拌1 ，s e t ，r 6 ，；t e x t 6 t e x t p 血t 群l ，s 畎r 7 ，”；t e x t 7 t e ) ( t p 血t 群l ，s e t ，t 1 ，”；t e x t 8 t e x t p r i n t 拌l ，”s 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