基于ANSYS的保溫桶結構優化分析

高帥，何毅斌，王彥偉，甘沐陽，趙德順，李會在

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基于ANSYS的保溫桶結構優化分析

高帥，何毅斌*，王彥偉，甘沐陽，趙德順，李會在

（武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

針對保溫桶在保溫過程中存在保溫效果不明顯或浪費保溫材料等問題，以陶瓷為保溫材料的保溫桶為研究對象，通過建立保溫桶和保溫層的三維立體模型，利用仿真軟件ANSYS對三維模型進行有限元分析。并對保溫桶的結構設計進行優化分析，通過改變保溫層厚度研究得到保溫桶內外溫度與厚度之間的數值關系，且獲得相關函數曲線。研究結果表明，在不影響保溫桶保溫性能的前提下，通過優化保溫桶的厚度，可以有效降低保溫桶的整體重量，當保溫桶的厚度為4 mm時最優，質量降低了原來的18%。

ANSYS WorkBench；保溫桶；陶瓷厚度

保溫桶是由一大一小的兩層不銹鋼材料加上保溫層制成的保溫容器，其中保溫層的作用是阻止保溫桶內的熱量與外界進行熱量交換，這就需要保溫材料具有著良好的保溫性能和較高的抗熱疲勞能力。目前，市場上使用的保溫容器基本采用陶瓷保溫材料，但是，有很多保溫桶投入市場之后，便出現質量過重，攜帶不方便等問題。這些問題往往是由于保溫桶在設計、制造過程中，保溫桶的參數選取不當造成的[1]。本文以陶瓷保溫桶為研究對象，通過對保溫材料的厚度參數進行結構優化分析，從而降低保溫桶的整體重量。

1 保溫桶模型的分析

1.1 桶體分析及其模型簡化

設計工作者一般選取的保溫層厚度為5 mm[2]，由于保溫桶的桶壁厚度過大，給人們的生活造成了很大不便，同時，加工材料較多，增加了制造成本。針對上述問題，在保持保溫效果不變的情況下，對保溫桶的厚度參數進行優化分析，使其有效降低保溫桶的重量。

由于保溫桶為幾何對稱模型[3]，在分析過程中，為減少建模、劃分網格的工作量及有限元計算量等因素，將保溫桶模型進行了簡化。

保溫桶主要包括內、外兩層不銹鋼層及保溫陶瓷材料。已知保溫陶瓷主要為砂漿陶瓷[4]，其導熱系數為0.93 W/m·K，厚度＝5 mm；不銹鋼的導熱系數為60.5 W/m·K，厚度＝1 mm。

保溫桶的簡化模型利用ANSYS進行網格劃分[5-6]，將該模型劃分為60253個節點、12960個單元，如圖1所示。

圖1 保溫桶三維簡化模型與網格劃分

1.2 保溫桶有限元分析

在有限元分析過程中，保溫桶表面的不銹鋼與外界大氣的對流系數為25 W/mm2·℃，設置內表面不銹鋼的熱載荷為100 ℃，并放置于外界環境溫度25 ℃進行模擬實驗。

通過網格的劃分、施加載荷過程，對保溫桶模型進行有限元分析，可以得到保溫桶溫度梯度云圖，如圖2所示。

圖2 保溫桶溫度梯度云圖

2 保溫層結構的優化分析

2.1 保溫層的實驗研究

由圖2可得，保溫層溫度云圖的變化說明了該保溫桶的保溫層有較好的保溫效果。通過對保溫桶結構的分析，進一步優化保溫桶的重量。在保溫桶的優化分析過程中，通過改變保溫桶的厚度參數，對比內外測溫度的差異，如表1所示。

2.2 實驗結果分析

根據表1，建立如圖3所示坐標系，并對相應的點進行了曲線擬合。

表1 保溫層內外溫度的變化情況

從表1中的實驗數據得，保溫層厚度在1～5 mm時，保溫層內層的溫度從97.8 ℃升高到99.5 ℃，增幅為1.7%，保溫層外層的溫度從27.1 ℃降低到25.4 ℃，降幅為6%。由此說明，在保溫桶正常工況下，該保溫桶的保溫系數隨著保溫層厚度的增加而大幅提高。而在保溫層厚度為5～7 mm時，內層溫度由99.5 ℃升高到99.7 ℃，增幅0.2%；外層溫度由25.4 ℃降低至25.3 ℃，降幅為0.4%。在厚度5～7 mm時，保溫效果的變化不明顯，同時，考慮到保溫桶的重量，因此，厚度調為5～7 mm的方案不可取。

對方程組求導可得出保溫層內外溫度與厚度之間的變化率曲線，如圖4所示。

圖4 溫度隨厚度的變化率

根據圖4（a）可得，內層溫度隨厚度的增加，其溫度的變化率逐漸降低。當保溫層厚度為4～5 mm時，內層溫度趨于平穩，達到穩定值。由圖4（b）得，外層溫度隨厚度的增加，其溫度的變化率也逐漸降低，當保溫層厚度為4～5 mm，外層溫度趨于穩定。

綜上分析可得，保溫桶保溫層厚度為4 mm左右時，保溫層的保溫效果達到最佳，與優化之前的保溫桶進行比對，如表2所示。

表2 優化前后保溫效果比對

3 結論

針對保溫層內外兩側的溫度，將厚度設置為參數變量，通過改變保溫層的厚度，得到保溫層厚度與其內外層溫度的函數關系曲線，從而推導出最優的保溫層厚度為4 mm。通過對保溫桶整體結構的優化，使重量降低了18%。

[1]馬靜敏，范云霄. 基于ANSYS WorkBench的太陽能熱水器支架優化設計[J]. 輕工機械，2011（4）：97-101.

[2]陳莎莎，呼格吉樂. 智能保溫飯盒的設計與研究[J]. 無線互聯科技，2014（11）：94.

[3]蒲廣益. ANYSYS WorkBench基礎教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社，2013.

[4]李兵，何正嘉，陳雪峰. ANSYS WorkBench 設計、仿真與優化[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

[5]嚴升明. 機械優化設計[M]. 徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[6]李瑞，芮延年，尹紀財. 基于ANSYS-APDL的真空氮爐體結構的優化設計[J]. 機械設計與制造，2011（9）：43-45.

The Structural Analysis and Optimization Design of Insulation Barrels

GAO Shuai，HE Yibin，WANG Yanwei，GAN Muyang，ZHAO Deshun，LI Huizai

( School of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China )

In order to solve the problem that the insulation effect is not obvious or the insulation material is wasted in the process of keeping the insulation, the three-dimensional model of the insulation barrel and the insulation layer is established by using the ceramic as the insulation material of the insulation material. To verify the insulation barrel has a better insulation effect, the simulation software ANSYS is used to analyze the three-Model for finite element analysis. Finally, the structural design of the insulation barrel is optimized and the temperature and thickness of the insulation layer are obtained. The results show that the overall quality of the insulation barrel can be effectively reduced by optimizing the thickness of the insulation barrel without affecting the insulation performance of the insulation barrel. When the thickness of the insulation barrel is 4mm, the quality is reduced to 18%.

ANSYS WorkBench；the heat insulation barrels；the thickness of the insulation barrels

TP399

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.009

1006－0316 (2018) 05－0033－04

2017－09－04

湖北省教育廳科學技術研究計劃重點項目——高速電主軸動態與熱態特性分析及多學科設計優化（D20161506）

高帥（1992－），男，山東萊蕪人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計優化和有限元分析。

何毅斌（1966－），男，湖北武漢人，博士（后），教授、碩士生導師，主要研究方向為機械零件故障診斷分析研究、機械設計仿真優化分析。