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案例分享：ANSYS WORKBENCH 14.0空调框架模态分析结构优化

刘笑天

5年前浏览5692

这个案例是使用ANSYS WORKBENCH 14.0中的模态分析模块进行功能演示。

我们对我国引进某最新核电站技术中的某空调框架结构进行模态分析。通过分析阵型发现结构上的薄弱环节从而使用最有效最简单的加强方案达到结构优化的目的。

1.5.1案例介绍

此案例属于某电厂放射性控制区域通风系统(VAS)，其中本次分析的模型是VAS系统里面的化容系统（CVS）冷却空调。关于CVS空调，电站内部员工培训教程中有如下描述：

“其可用于反应堆停堆运行，阻止对安全系统的挑战。而VAS可维持RNS和CVS泵运行环境温度在设计范围内，确保其正常运行。

特定区域温度控制的目的是保证设备的正常运行和防止维修人员在高温下工作，通风系统应能保证电站受控制区域相对于清洁区域或厂房外的微负压，从而减少污染气体不受监控的对外释放。

服务于RNS和CVS泵房的VAS单元冷却器设备应设置冗余的类似设备，保证那些纵深防御系统功能不会丧失。

VAS系统必须维持RNS和CVS泵环境温度在10～54.4℃ (50～130℉)的设计温度范围内。

VAS系统必须监测气体的放射性，一旦监测到高放射性，必须能自动隔离来自辅助厂房及燃料操作区域的正常未经过滤的气体，系统必须自动启动备用的排气过滤系统，提供高效空气微粒过滤器，并维持高放射性厂房微负压。”

1.5.2启动Workbench并建立分析项目

(1) 此次分析我们要做结构加强前以及加强后两次Model（模态分析）。

首先打开ANSYS WORKBENCH 14.0→双击Toolbox（工具箱）→Analysis System（分析系统）→Model（模态分析模块），生成项目管理文件A1。如图-1所示。

图-1 打开Model

图-2 关联Model

（2）然后再次单击Toolbox（工具箱）→Analysis System（分析系统）→Model（模态分析模块）→将其拖动到项目文件A2项 Engineering Data（工程数据）→放开鼠标，生成项目管理文件B。这样项目管理文件A2中的数据会与项目管理文件B2相互关联。如图-2所示。

（3）保存项目文件。单击菜单栏上的File（文件）→Save（保存）按钮，如图-3所示。程序会出现保存路径提示的对话框，在合适的文件夹处将此次分析项目文件保存为1→单击（保存）按钮。

稍等一会程序会完成相关文件的生成以及保存工作。操作如图-4所示。

图-3 保存文件

图-4 命名并保存

（4）由于之前文件夹中已经有了一个同名的项目文件“1”，故程序会出现如图-5的提示，单击Yes（确定），以替换掉原来的项目文件。

图-5 替换文件

1.5.3定义材料属性

（1）定义材料。双击项目管理文件A中的A2项 Engineering Data（工程数据）。如图-6所示。

图-6 定义材料

图-7 输入材料数据

（2）此空调框架结构为依照美国ASTM（美国材料协会）标准的低碳钢热浸镀锌型钢焊接结构制造，需要输入相应碳钢的材料属性。

在Properties of outline row 3:Structural Steel中更改B8项Young`s Modulus（弹性模量）输入193Gpa，在B9项目 Poisson`s Ratio（泊松比）输入0.3。如图-7所示。

材料参数设定完毕后，单击

（返回项目文件）按钮。回到项目管理区。

1.5.4导入模型

（1）单击项目文件A3项的Geometry（模型）。以此进入ANSYS WORKBENCH 14.0 的DM模块完成对模型的导入工作。如图-8所示。

图-8 进入DM模块

图-9 导入模型文件

（2）进入DM模块后单击菜单栏上的File（文件）→Import External Geometry File（导入模型文件）。如图-9所示。

（3）找到模型文件，CVS.x-t。

单击其→单击“打开”按钮。如图-10所示。然后单击DM模块菜单栏上的

（刷新）按钮。来刷新模型文件。

此过程随着模型大小以及复杂程度不同需要几分钟到一个小时的过程，请耐心等待。图-11显示了导入后的模型。

注意：此模型文件是在实际生产用模型的基础上简化了外部面板以及全部内部设备的模型。

由于此次案例是作为教材演示，分析的内容以及深度与笔者实际工作时候稍加简化。比如分析计算主要参考技术规格书以及ASME 核电规范与标准-AG-1 核电厂空气和气体处理中的规定。实际是预应力模态分析，其考虑了风机运行时产生内外压差、内部设备重量、外部管道载荷、顶部在维修时承受的250磅重量、内外温度载荷、瞬态开关压差等等基础上的模态分析。但此并不影响展示如何使用ANSYS WORKBENCH 14.0的Model（模态分析）模块进行结构优化。

图-10 打开模型文件

图-11 导入后的模型

（4）完成导入模型后退出DM模块。单击菜单栏上的File（文件）→Close Design Modeler（关闭DM模块）。回到项目管理区。如图-12所示。

图-12 关闭DM模块

图-13 划分网格

1.5.5划分网格

（1）双击A4项 Model（模型）。来对模型进行网格划分工作。如图-13所示。

（2）首先用自动划分网格功能，划分后查看网格数量以及质量后再考虑是否进行进一步的网格控制操作。

单击Outline（分析树）→Mesh（网格）→Update（刷新网格）。如图-14所示。

图-14 自动划分网格

图-15 网格划分进程

（3）在网格划分过程中ANSYS WORKBENCH 14.0 会自动生成一个ANSYS WORKBENCH Update Model Status （刷新网格进程）的对话框。同时我们也可以打开系统的任务管理器查看CPU，内存等运作情况。如图-15所示。

图上对话框中被红框全出的数字显示了（77/92）。其代表了该模型共有92个零件组成，此时正在对第77个零件“HKW051.14-冷弯槽钢1539”零件进行网格划分。查看任务管理器发现网格划分时候仅仅调用了一个CPU核心进行，并且内存消耗并不大。

（4）等待10分钟左右网格划分完毕。如图-16所示。

整体上看由于框架都是型钢结构，形状相对简单，划分出来的网格相对比较规则。通过观察图上被红框圈出区域发现整个模型网格尺寸比较粗大，为了提高分析精度，我们将定义更小的网格尺寸。

图-16 划分后的网格

图-17 设定网格尺寸

（5）在Details of “Mesh”（网格的详细信息）→Element Size（网格尺寸）中输入20毫米。重新设定更小的网格尺寸。然后单击菜单栏中的

（刷新网格）按钮。

由于此次网格数量更多，需要等待更长的时间。

（6）图-18显示了刷新网格后的情况，对比图-16红色框圈出的位置，可见网格密度大大增加。

图-18刷新后的网格

图-19 网格统计

（7）单击Details of “Mesh”（网格的详细信息）→Statistics（统计）中可以看出节点数为419840个，单元数为62986个。计算规模中等。如图-19所示。

1.5.5施加约束与分析设置

（1）我们要在空调底座面上施加0位移固定约束。先把模型旋转到底座面。单击模型空间的系统坐标系Y轴的绿色箭头。如图-20所示。

图-20 旋转方向

图-21 选择固定约束

（2）单击Supports（支撑）→Fixed Support（固定位移约束）→按住键盘的Ctrl（控制）键，分别单击模型底部面。被选定的目标面会变成浅绿色→回到Details of “Fixed Support”（固定位移约束的详细信）里面单击Apply（确定）。如图-22所示。

图-22 确定约束设置

1.5.6求解以及结果后处理

（1）此次我们分析结构的前5阶固有频率。单击Outline（分析树）→Analysis Settings（分析设置）→在Max Model to Find中输入5。如图-23所示。

图-23 求解设置

图-24 查看分析进程

（2）单击

（求解）按钮，开始模态分析。同时打开系统任务管理器查看分析进程。如图-24所示。

（3）由于我们刚才设定了分析结构的前5阶固有频率，所有要连续输出5个变形结果。单击Outline（分析树）→Deformation（变形）→单击5次Total（全部）按钮。如图-25所示。

图-25 输出变形结果

图-26 查看求解时间

（4）分析完毕后我们可以查看分析的过程以及最终的结果。

单击Worksheet（数据表）下拉到其最下面。可以看出此次分析用时4826秒，大概80分钟时间。如图-26所示。

（5）设定变形结果后处理。

刚才我们连续单击了5次Total（全部）按钮。但是程序自动默认状态为每个变形结果都是输出第一阶固有频率，故我们要分别设定从第二到第五阶固有频率的输出。

比如，要输出第二阶固有频率。需要单击Outline（分析树）→Total Deformation 2在下面的Model输入2，其他频率的变形输出方式以此类推。如图-27所示。然后单击

（求解）按钮。完成对阵型结果的输出。

图-27 设定第二阶频率输出

图-28 第一阶阵型

（6）求解完毕后单击Outline（分析树）→Solution→Total Deformation，查看第一阶阵型。如图-28所示。

（7）再分别单击Total Deformation 2 到Total Deformation 5 显示结果。

由于结果越接近一阶固有频率其对整体结构振动影响越大，为了节约篇幅这里仅仅查看前5阶固有频率。图-28到32分别显示了前5阶阵型以及固有频率结果。

图-29 第二阶阵型

图-30 第三阶阵型

图-31 第四阶阵型

图-32 第五阶阵型

（8）我们还可以分别单击模型空间下方的Graph（图表）来查看固有频率的柱状图。如图-33所示。

（9）同样我们也可以单击Tabular Data（列表数据）查看具体的频率的数值。如图-34所示。

图-33 固有频率图表

图-34 列表查看固有频率

（10）根据Tabular Data（列表数据）可知该模型前5阶固有频率分别是：

一阶固有频率=33.1647375Hz

二阶固有频率=36.58631683Hz

三阶固有频率=45.92073378Hz

四阶固有频率=51.56883721Hz

五阶固有频率=53.79313194Hz

（11）此阶段分析结束，保存一下项目文件。

单击File（文件）→Save Project（保存项目文件）→Close Mechanical（关闭机械模块）。回到项目管理区。如图-35所示。

图-35 保存项目文件

图-36 导入加强后的模型

1.5.7执行加强后模型的模态分析

通过观察模型前5阶阵型可以发现，原始模型主要在顶部附近位置振动幅度相对较大，而模型顶部相对空旷单薄。在加强方案中我们选择了在顶部贯穿一根型钢，这样可以最简单最有针对性的加强模型，增大其固有频率从而提高其抗振动能力。

1.5.8导入模型

（1）由于材料特殊数据已经互联，故此次仅仅需要双击B 2项的Geometry（模型）进入DM模块。如图-36所示。

（2）导入模型。进入DM模块后单击File→Import External Geometry File（导入模型文件）。如图-37所示。

图-37 导入模型文件

图-38 选择模型

（3）这次打开“加强CVS.X-t”模型→单击打开按钮。如图-38所示。

（4）单击

（刷新）按钮，刷新模型数据。然后退出DM模块。

1.5.9导入模型

（1）回到项目管理区双击B3 项 Geometry（模型）。如图-39所示。

图-39 打开DM模块

图-40 导入模型文件

（2）这次选择“加强CVS.X-T”文件→单击“打开”按钮。如图-41所示。

单击

（刷新）按钮，刷新模型数据。由于加强后模型更为复杂，此过程较第一次刷新需要更多时间。

图-41 选择模型文件

图-42 网格划分

（3）导入模型后如图-43所示。

注意：模型的顶盖中间部分较第一次分析的模型多了一根纵向型钢。

图-43 加强后的模型

图-44 划分后的网格

1.5.10划分网格并求解

（1）网格划分部分的设定与第一次一样，尺寸20毫米。划分后的模型，如图-44所示。

（2）图-45展示了加强后模型网格划分后的详细信息。其中Statistics（统计）中可以看出节点数为494956个，单元数为73751个。计算规模较第一次增加约17%。

图-45 网格统计

图-46 求解时间

（3）图-46展示了新模型的总的求解时间。其中Elapsed Time（总时间）有38278秒，远远大于第一次分析用的4826秒。这是由于计算机遇到了明显的硬盘传输效率瓶颈的结果。

1.5.11结果后处理以及对比评价

（1）分析设定与后处理设定根第一次一样，这里不再赘述。图46到图50分别为加强后模型的前5阶阵型。

图-46 第一阶阵型

图-47 第二阶阵型

图-48 第三阶阵型

图-49 第四阶阵型

图-50 第五阶阵型

图-51 固有频率的图表

（2）图-51显示了固有频率的图表。可以看出频率间隔较近并稳步上升。

（3）图-52显示了固有频率的数值。

图-52 固有频率的数值

（4）结果对比。通过表格即可看出加强前后的不同。

频率	加强前最大振动值	加强后	降低的幅度	加强前的固有频率	加强后	提高的幅度
1	10.735mm	4.619mm	57%	30.1647375Hz	40.27479906Hz	34%
2	4.1605mm	4.1618mm	0	36.58631683 Hz	43.04413144Hz	18%
3	15.712mm	36.018mm	-229%	45.92073378Hz	58.7957727Hz	28%
4	14.773mm	9.0452mm	38%	51.56883721Hz	64.59030893Hz	25%
5	10.576mm	26.169mm	-274%	53.79313194Hz	69.65754113Hz	30%