以過程設備設計教學為例淺談專業軟件在課程教學中的應用

張羽翔，劉亞莉

(鄭州輕工業學院材料與化學工程學院，河南鄭州 450002)

1 過程設備設計課程特點

過程設備設計是過程裝備與控制工程本科專業的核心課程，課程目的是使學生掌握過程設備設計的基本原則與方法，對工程實際中用到的設備進行結構設計和強度計算，培訓學生解決工程實際問題的能力。過程設備設計的壓力容器部分理論性較強，尤其是壓力容器中的應力分析部分，內容抽象枯燥，公式推導繁瑣，學生容易對課程失去興趣;過程設計部分中設備和零部件的結構特征及強度計算與校核是教學難點。筆者認為在理論教學過程中結合相關專業軟件的使用(如有限元分析軟件ANSYS、常規設計軟件SW6、壓力容器分析設計軟件VAS、三維設計軟件Pro/E)，不僅可以幫助學生加深對問題理解和認識，還可以激發學生學習興趣，豐富課堂教學內容，擴展學生的知識面，為今后的畢業設計打下良好基礎，為將來就業增加一技之長。

2 相關軟件在教學中的應用

2.1 有限元分析軟件ANSYS

ANSYS是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件。

ANSYS軟件的力學分析功能強大，其中的結構靜力分析是用來求解外載荷引起的位移、應力和力，可進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸面等，還可以求解模態分析、譜分析、瞬態動力、諧波響應及隨機振動的動力分析問題。利用ANSYS軟件可以求解在各種外載荷和變形約束下設備上所有點的應力分布狀態，可以解決理論及常規設計不能解決的力學問題。

過程設備設計的壓力容器部分涉及到一些理論知識，如薄壁回轉殼體受外壓的彈性失穩、受內壓殼體與接管的應力分布以及平板上開孔引起的應力集中等問題，如果運用ANSYS軟件對其進行結構分析，并將分析結果以圖形的形式直觀形象的展示給學生，可使得學生加深對問題的理解和認識，提高教學質量。

ANSYS是目前應用最為廣泛且操作簡單的有限元分析軟件之一。學有余力且對ANSYS軟件進行力學分析感興趣的學生可以在課余時間進行學習?？蓡l學生從分析厚壁圓筒應力分布等簡單問題入手熟悉軟件使用的步驟，得到的數值結果并用拉美公式驗證其正確性。通過建模、結構分析、后處理等不但可以加深對厚壁容器應力分布規律的理解和認識，增強學生的學習興趣和信心，而且還可以讓學生多掌握一種分析問題的工具，提高自身獨立分析問題、解決問題的研究能力，可以使學生拓寬知識面，初步了解有限元這種力學分析方法。

2.2 常規設計軟件SW6

常規設計有稱“按規則設計”，以區別與分析設計。常規設計只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區分短期載荷和永久載荷。常規設計包括圓柱形筒體、封頭、密封裝置、開孔和開孔補強、支座和檢查孔、安全泄放裝置的設計和選用。

目前用于常規設計的軟件包是過程設備強度計算軟 件 SW6-2011。SW6 是 GB150、GB151、GB12337及JB4731等一系列與壓力容器、化工過程設備設計計算有關的國家標準、行業標準為計算模型的設計計算軟件。SW6包括十個設備計算程序，分別為臥式容器、塔器、固定管板換熱器、浮頭式換熱器、填函式換熱器、U形管換熱器、帶夾套立式容器、球形儲罐、高壓容器及非圓形容器等，以及零部件計算程序和用戶材料數據庫管理程序。SW6零部件計算程序可單獨計算最為常用的受內、外壓的圓筒和各種封頭，以及開孔補強、法蘭等受壓元件，也可對HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強度計算規定》中的一些較為特殊的受壓元件進行強度計算，十個設備計算程序則幾乎能對該類設備各種結構組合的受壓元件進行逐個計算或整體計算。

在設計中運用成熟的設計軟件SW6可顯著提高工作效率，在課堂中可以向學生簡單介紹本軟件包的功能。對此軟件感興趣的學生可以在課程設計或畢業設計中使用該軟件包進行設計，根據軟件形成的過程設備設計計算書對結構設計進行指導，提高設計工作的效率和準確性。

2.3 壓力容器分析設計軟件VAS

分析設計是指以塑性失效準則為基礎，采用精細的力學分析手段的壓力容器設計方法。目前，分析設計主要包括應力分類法和基于失效模式的直接法。應力分類法是當今壓力容器分析的主流方法，其基本思想是對各種外載荷或變形約束下產生的應力進行嚴格而詳細地計算，然后按照危害性大小進行分類，再按照不同的設計準則來限制，保證容器在使用期內不發生各種形式的失效。應力計算方法有解析法、數值法(如有限元分析法ANSYS)、實驗法。

壓力容器分析設計軟件VAS是依據JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》研制開發的用于壓力容器分析設計的專用軟件。分析軟件包主要用于對壓力容器的局部開孔及存在接管載荷結構進行強度、疲勞、失穩等工況的分析計算與評定，并可根據計算結果自動強度評定與生成分析報告。

在壓力容器分析設計領域，與國際通用有限元軟件相比，本軟件的主要優勢有:輸入簡單，模型及載荷工況的輸入采取參數化輸入方式，用戶只需輸入模型的基本幾何參數，載荷加載方式，即可自動生成有限元計算模型;計算簡便，生成的模型可使用自有計算模塊計算，也可以導入ANSYS中進行計算，導入方便;可自動進行應力分類并自動生成WORD計算分析報告并依據《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行評定。

目前該軟件包計算模型包括柱殼開孔、正錐開孔、偏錐開孔、橢圓封頭、柱殼開方孔、三通四通、球冠封頭、蝶形封頭、帶增強法蘭橢圓封頭、柱殼內插接管、球罐接管、柱殼切向開孔、柱殼封頭開孔、柱殼極限開孔、封頭極限開孔等15個計算模型。計算類型包括強度計算、疲勞計算、穩定性計算、極限載荷計算。在課程中講解封頭、開孔接管等問題時，可以將運用此軟件分析的結果展示給學生，將抽象的數據變換為形象生動的彩色應力云圖，有助于學生對問題的理解。

2.4 三維設計軟件

Pro/Engineer是目前世界上最為普及的CAD/CAM/CAE軟件之一，基本上成為三維CAD的一個標準平臺，廣泛應用于電子、機械、模具、工業設計、汽車、航空航天、家電、玩具等行業，是一個全方位的3D產品開發軟件。

對于過程設備設計中設備結構部分，學生對設備及零部件結構的認識和理解是教學難點。利用三維設計軟件Pro/E制作塔設備、管殼式換熱器、機械攪拌反應釜等典型設備零部件的三維實體模型及固定管板式換熱器、U形管換熱器、浮頭式換熱器、填料塔、機械攪拌反應釜等的三維虛擬拆裝動畫，在課堂中可以生動形象地演示其內部結構及其制造、裝配過程，增加學生的感性認識。

對設計感興趣的同學或致力于從事設計工作的學生可以自主學習三維設計軟件，為以后就業打下良好的基礎。

3 小結

在課堂教學中應用ANSYS、Pro/E等軟件可以幫助學生加深對難點問題的理解和掌握，但要注意專業軟件在課程教學中為輔助教學，介紹軟件的時候要把握好度，點到為止。