利用APDL參數V錐流量計懸臂支撐的優化

利用APDL參數化編程的方法對V錐流量計的懸臂支撐進行了參數化建模,運用ANSYS中優化模塊對流量計懸 臂支撐的尺寸進行了優化,其結果表明優化后懸臂支撐的受力情況得到了顯著的改善，同時使得V錐流量計尺寸更加合 理,并提高了材料的利用效率,實現了優化的意義。

0.引言

V錐流量計是一種新興的管道流量測量裝置，與其他 的測量裝置（如文丘里管等傳統的測量裝置相比,具有明顯的優點:1)較強的自整流功能，對于流量計的前 直管段要求較短,可以在較小的空間內進行安裝；2)抗污 染能力強，具有持久耐用的特點；3)由于量程比寬，即它 的線性度好,從而使其精度較高沐壓力損失小，4)可以降 低能耗;5)安裝維護費用后相對較低。但在實際的應用 中，并沒有得到社會廣泛的認可，主要原因是V錐流量計 在使用過程中因流體的作用出現節流錐體出現偏斜、振 動甚至脫落等故障。由于V錐流量內錐型節流裝置需要與 管道同軸安裝的特殊性，目前經常使用的結構形式是L型 的懸臂支撐,如圖1所示。節流錐體與管道不同軸會使測 量精度明顯降低,要求支撐具有足夠的剛度以確保節流錐體的正確位置，尤其在使用的全過程中都要保持這種狀態,使流量計能夠穩定工作。因此,對V錐流量計懸臂支撐 的尺寸進行優化設計,是工程應用中亟待解決的問題。

1.V錐流量計模型的簡化處 理

如圖1所 示的V錐流量 計的剖面視 圖，從圖中可 以看出，分析 優化的中重點是起到支撐作用的L型懸臂結構,所以外管道可以在建模的過程中略去，去除掉與分析過程無關的部分，目的是為了使整個分析優化過程更加便捷、地進行。

2.節流裝置的APDL參數化建模

如圖1,L型支撐結構的位于錐體的前部,現在需要確定的是L型懸臂支撐進行參數化建模，橫臂直徑d1二 10mm,豎直臂內徑d2=5mm,豎直臂外徑d3=10mm,長度 1=50mm,豎直臂距離錐體尾部的距離%=65mm。對相應參數4、2、義、/以及x五個參數進行優化。參數化模型如圖 2，其中等效直徑比/3=0.85,管道內徑"=100mm。

3.V錐流量計流體仿真

在進行有限元分析之前，需要對流量計進行流體力 學仿真，進一步確定因流體作用在錐體上產生的壓力載 荷,在確定其載荷值后進行有限元分析。

利用FLUENT或CFX軟件進行流體力學仿真，可以得到如圖3所示的壓 力云圖，入口速度 為10m/s，介質為 空氣，湍流模型為 RNG模型。從圖3 中可以清楚地看到 流體在流經錐體后 會的壓力變化情 況，同時在錐體尾 部下面的壓力值 大于上面的壓力 值，出現上下壓力 不等的情況。

4.有限元分析及 其變量的提取

在參數化模型 的基礎上，根據過 程需要進行設置 材料屬性、單元類 型和約束及其加 載。

V錐流量計內 錐體及其懸臂支 撐的材料為 1Cr18Ni9Ti，具有 防銹、機械強度高 的特點，可給予內 錐體足夠的支撐。單元類型選用Soild185,約束為支撐的 一段固定,載荷值為流體力學仿真中數值。

進行有限元分析得到相關的應力云圖，如圖4。***大 應力的位置為懸臂支撐與管道相連結出上，與實際故障 位置一致,進一步證明了該分析的結果是可以信的。

下面為進一步的優化設計提取有限元分析中的***大 應力Smax和***大位移量Umax作為優化分析時的狀態變量， 提取SMAX和UMAX使用的命令如下：

/POST1 !后處理

ALLSEL !選擇所有節點

NSORT,S,EQV,0,0,ALL!將應力排序

*GET,SMAX,SORT，, MAX!將***大應力存在Smax中

NSORT,S,SUM,0,0,ALL!將位移量排序

*GET,UMAX,SORT,0,MAX!將***大位移量存在Umax中

FINISH

5.優化分析

用上述參數對改進L型懸臂的支撐的尺寸，重新進行 有限元分析,得到的新的有限元分析結果，與優化前相比較而言，改進以后的懸臂上的應力分布較改進前有很大 的改善，同時受力情況也得到了提高,說明此次優化取得了較理想的結果。

6.結語

通過利用APDL參數化建模的方式對V錐流量計L型 懸臂的尺寸進行了優化分析，從優化后的應力云圖驗證 了優化的***終效果是較為理想且可信的，說明了該優化 結果可以有效地改善懸臂支撐結構的受力情況，減少故 障發生的概率并且提高材料的使用率。