基于CAE的U形波纹管膨胀节的工程优化设计

　　1　前言

　　膨胀节是一种挠性元件,它能有效地补偿轴向变形,以降低壳体或管子内的应力,由于其应用日趋广泛而受到工程人员的特别关注。波纹管是组成膨胀节的基本元件,它决定了膨胀节的补偿性能。波纹管的设计不同于一般的压力容器,需要同时满足强度与柔性两项要求,既要保证其耐压强度足够高,又要尽量使其刚度小而产生足够的变形。而压力应力和位移应力对膨胀节的结构尺寸要求是相反的,不能采用常规设计方法。目前是以分析设计(Designby Analysis)为准则的,因为属于校核式设计,用户需要反复运算才能得到一个较经济而又安全的设计结果。设计周期长,工作量大,且容易因人为疏忽而导致设计不合理。为了克服这种状况,在有限元分析基础上引入优化技术来完成U形波纹管的设计.

　　2　U形波纹管的结构模型

　　U形无加强型波纹管是母线呈波纹形的回转薄壁壳体,它由2个环壳(波峰壳和波谷壳)和中间环板组成。多层波纹管可减小膨胀节的刚度,提高其补偿能力。主要参数有:波高h,波距w,单层波壳有效壁厚tp,单层波壳名义壁厚t,层数m,波数n,波纹管直边段外直径D0等,如图1所示。其中,

3　基于CAE的优化过程

基于CAE的优化设计是将有限元分析方法和传统的优化技术相结合,并应用于零部件的结构优化设计过程中,在满足给定条件下,寻求一个技术经济指标最佳的设计方案。

　　图2是利用ANSYS有限元软件完成优化设计的流程图。

在分析文件中,模型的建立必须参数化,结果也必须参数化提取,用于状态变量和目标函数。参数化分析模型的正确性对优化分析结果至关重要。在波纹管建模时,首先定义基本参数h,w,t,n,m,D0,考虑结构和载荷的轴对称性,参数化模型如图1所示。对于不同的设计条件修改参数即可获得新的模型。

　　采用6节点三边形等参单元,并设置轴对称属性,对波纹管模型进行网格划分。两端线上施加ALL DOF约束,并在内表曲线上施加内压。

　　运行求解器并进入后处理器提取所需结果。定义单元表格取出Elem Volume VOLU,通过Sum ofEach Item得到单元体积的总和并赋于参数VTOT;定义路径AB(端线,图1所示),映射VonMises SEQU数据到路径上,得到路径上的最大Von Mises应力并赋予参数Von-Mises。

　　生成优化分析文件后进入优化处理器。设计变量通常是几何参数,应对多个几何参数进行分析精炼,只选择可以提供实际优化设计的变量作为优化设计变量,太多的设计变量会使得优化收敛于局部最小值的可能性增加。

　　状态变量是控制设计的因变量,应是ANSYS可以计算的数值。在很多情况下,要进行多层优化计算。比如,在一次优化分析后没有找到需要的优化结果,或是用一种优化工具开始计算然后做随后的优化分析(如先进行随机搜索,然后用一阶方法)。从第一次较少次数的循环中得到的结果可以作为修改设计空间并进行以后优化分析的依据。