利用APDL参数V锥流量计悬臂支撑的优化

利用APDL参数化编程的方法对V锥流量计的悬臂支撑进行了参数化建模,运用ANSYS中优化模块对流量计悬 臂支撑的尺寸进行了优化,其结果表明优化后悬臂支撑的受力情况得到了显著的改善，同时使得V锥流量计尺寸更加合 理,并提高了材料的利用效率,实现了优化的意义。

0.引言

V锥流量计是一种新兴的管道流量测量装置，与其他 的测量装置（如文丘里管等传统的测量装置相比,具有明显的优点:1)较强的自整流功能，对于流量计的前 直管段要求较短,可以在较小的空间内进行安装；2)抗污 染能力强，具有持久耐用的特点；3)由于量程比宽，即它 的线性度好,从而使其精度较高沐压力损失小，4)可以降 低能耗;5)安装维护费用后相对较低。但在实际的应用 中，并没有得到社会广泛的认可，主要原因是V锥流量计 在使用过程中因流体的作用出现节流锥体出现偏斜、振 动甚至脱落等故障。由于V锥流量内锥型节流装置需要与 管道同轴安装的特殊性，目前经常使用的结构形式是L型 的悬臂支撑,如图1所示。节流锥体与管道不同轴会使测 量精度明显降低,要求支撑具有足够的刚度以确保节流锥体的正确位置，尤其在使用的全过程中都要保持这种状态,使流量计能够稳定工作。因此,对V锥流量计悬臂支撑 的尺寸进行优化设计,是工程应用中亟待解决的问题。

1.V锥流量计模型的简化处 理

如图1所 示的V锥流量 计的剖面视 图，从图中可 以看出，分析 优化的中重点是起到支撑作用的L型悬臂结构,所以外管道可以在建模的过程中略去，去除掉与分析过程无关的部分，目的是为了使整个分析优化过程更加便捷、地进行。

2.节流装置的APDL参数化建模

如图1,L型支撑结构的位于锥体的前部,现在需要确定的是L型悬臂支撑进行参数化建模，横臂直径d1二 10mm,竖直臂内径d2=5mm,竖直臂外径d3=10mm,长度 1=50mm,竖直臂距离锥体尾部的距离%=65mm。对相应参数4、2、义、/以及x五个参数进行优化。参数化模型如图 2，其中等效直径比/3=0.85,管道内径"=100mm。

3.V锥流量计流体仿真

在进行有限元分析之前，需要对流量计进行流体力 学仿真，进一步确定因流体作用在锥体上产生的压力载 荷,在确定其载荷值后进行有限元分析。

利用FLUENT或CFX软件进行流体力学仿真，可以得到如图3所示的压 力云图，入口速度 为10m/s，介质为 空气，湍流模型为 RNG模型。从图3 中可以清楚地看到 流体在流经锥体后 会的压力变化情 况，同时在锥体尾 部下面的压力值 大于上面的压力 值，出现上下压力 不等的情况。

4.有限元分析及 其变量的提取

在参数化模型 的基础上，根据过 程需要进行设置 材料属性、单元类 型和约束及其加 载。

V锥流量计内 锥体及其悬臂支 撑的材料为 1Cr18Ni9Ti，具有 防锈、机械强度高 的特点，可给予内 锥体足够的支撑。单元类型选用Soild185,约束为支撑的 一段固定,载荷值为流体力学仿真中数值。

进行有限元分析得到相关的应力云图，如图4。***大 应力的位置为悬臂支撑与管道相连结出上，与实际故障 位置一致,进一步证明了该分析的结果是可以信的。

下面为进一步的优化设计提取有限元分析中的***大 应力Smax和***大位移量Umax作为优化分析时的状态变量， 提取SMAX和UMAX使用的命令如下：

/POST1 !后处理

ALLSEL !选择所有节点

NSORT,S,EQV,0,0,ALL!将应力排序

*GET,SMAX,SORT，, MAX!将***大应力存在Smax中

NSORT,S,SUM,0,0,ALL!将位移量排序

*GET,UMAX,SORT,0,MAX!将***大位移量存在Umax中

FINISH

5.优化分析

用上述参数对改进L型悬臂的支撑的尺寸，重新进行 有限元分析,得到的新的有限元分析结果，与优化前相比较而言，改进以后的悬臂上的应力分布较改进前有很大 的改善，同时受力情况也得到了提高,说明此次优化取得了较理想的结果。

6.结语

通过利用APDL参数化建模的方式对V锥流量计L型 悬臂的尺寸进行了优化分析，从优化后的应力云图验证 了优化的***终效果是较为理想且可信的，说明了该优化 结果可以有效地改善悬臂支撑结构的受力情况，减少故 障发生的概率并且提高材料的使用率。