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管式加热炉钢结构有限元分析及优化设计系统

作　者: 王秋忠
导　师: 张立杰；胡金华
学　校: 燕山大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 加热炉钢结构有限元分析优化设计 ANSYS 二次开发
分类号: TE974
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着我国石油行业的快速发展,输油管式加热炉的需求量越来越大,用户不仅对其性能要求越来越高,而且要求尽可能缩短研发周期。目前的结构设计和计算主要依靠手工来完成,不仅效率低下而且计算由于做过大量的简化和近似处理而不准确,并且重复工作量大,耗时较多,成本较大,不利于管式加热炉研发制造的可持续发展。为了解决上述问题,本文在对有限元参数化技术、ANSYS 二次开发技术、优化设计技术、VB编程技术深入研究的基础上,提出了管式加热炉钢结构有限元分析及优化设计系统的解决方案。论文的研究内容包括如下几个方面:(1)对传统设计的加热炉钢结构进行简化,利用APDL建立其参数化有限元模型;分析加热炉的各种载荷工况,在ANSYS环境中计算4000 KW加热炉在等效静力风载荷、吊装载荷工况下强度和刚度的分布情况。(2)对传统设计的4000 KW加热炉进行模态分析、风载荷及地震载荷动力响应分析,通过分析结果验证加热炉在结构设计上是否能够满足设计要求,并将动力风载与等效静力风载分析结果进行对比。(3)依据“相对差商法”的思想,开发一种适用于加热炉钢结构的离散变量优化算法,编制相应的优化程序。以传统设计的4000 KW加热炉钢结构为例对其进行优化。(4)应用VB开发工具将参数化技术、有限元分析方法、优化设计技术融为一体,建立一套管式加热炉钢结构有限元分析及优化设计系统。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第1章绪论  11-20
  1.1 课题的提出和实际意义  11-12
    1.1.1 课题的提出  11-12
    1.1.2 课题的实际意义  12
  1.2 管式加热炉国内外技术研究现状  12-13
  1.3 结构的现代设计方法  13-17
    1.3.1 有限元法  14-16
    1.3.2 优化设计方法  16-17
  1.4 基于ANSYS 的二次开发技术研究现状  17-18
  1.5 本文的研究内容  18-20
第2章管式加热炉钢结构静力学分析  20-38
  2.1 有限单元法基本理论  20-23
    2.1.1 有限单元法典型分析步骤  21-23
    2.1.2 基于有限元的参数化分析技术  23
  2.2 ANSYS 软件简介  23-25
    2.2.1 ANSYS 软件的特点  23-24
    2.2.2 参数化设计语言APDL  24-25
    2.2.3 ANSYS 的数据接口  25
  2.3 参数化有限元分析模型的建立  25-30
    2.3.1 加热炉钢结构简介  25-26
    2.3.2 简化模型  26-27
    2.3.3 确定单元属性  27
    2.3.4 网格划分  27-28
    2.3.5 施加载荷及约束  28
    2.3.6 参数化后处理  28-29
    2.3.7 参数化建模过程中的关键技术  29-30
  2.4 载荷工况  30-33
    2.4.1 载荷的种类及取值  30-33
    2.4.2 载荷工况组合  33
  2.5 静力分析  33-37
    2.5.1 强度校核准则  33-34
    2.5.2 工况一分析结果  34-35
    2.5.3 工况二分析结果  35-36
    2.5.4 工况三分析结果  36
    2.5.5 三种工况下结果对照表  36-37
  2.6 本章小结  37-38
第3章管式加热炉钢结构动力学分析  38-55
  3.1 模态分析  38-44
    3.1.1 模态分析概述  38-39
    3.1.2 模态分析基本理论  39-40
    3.1.3 加热炉模态分析  40-44
  3.2 风载荷动力响应分析  44-49
    3.2.1 工况一分析结果  45-47
    3.2.2 工况二分析结果  47-48
    3.2.3 静动态风载荷工况下分析结果比较  48-49
  3.3 地震载荷动力响应分析  49-54
    3.3.1 地震载荷分析历程  49-51
    3.3.2 加热炉地震载荷分析  51-52
    3.3.3 工况四分析结果  52-54
  3.4 本章小结  54-55
第4章基于离散变量的加热炉钢结构优化设计  55-69
  4.1 基于有限元分析的优化设计过程  56-57
  4.2 离散变量结构优化设计  57-61
    4.2.1 离散变量结构优化设计发展概况  57-58
    4.2.2 离散变量结构优化设计算法分类  58-59
    4.2.3 基于离散变量的两级优化设计方法  59-61
  4.3 加热炉钢结构的优化设计  61-68
    4.3.1 设计变量  63
    4.3.2 约束条件  63-65
    4.3.3 目标函数  65-66
    4.3.4 程序编制  66-67
    4.3.5 优化算例结果及验证  67-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章开发加热炉钢结构分析及优化设计系统  69-80
  5.1 基于VB 的ANSYS 二次开发思想  69
  5.2 系统工作流程及功能实现  69-76
    5.2.1 系统工作流程  69-71
    5.2.2 系统功能实现  71-72
    5.2.3 系统实现的关键技术  72-76
  5.3 系统界面开发  76-79
    5.3.1 界面设计原则  76
    5.3.2 加热炉钢结构界面设计  76-79
  5.4 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-87
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  87-88
致谢  88-89
作者简介  89

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