第一篇：基于python三維復合材料層壓板參數化建模6-28

基于Abaqus/Python的三維復合材料層壓板有限元建模參數化開發

伊鵬躍，于哲峰，汪海

（上海交通大學 航空航天學院，上海 200240）

摘要：討論了Abaqus對象模型及網格對象的調用方法。利用Python腳本，開發了可應用連續殼或實體單元的三維復合材料層壓板參數化建模程序。通過了人機交互，可選擇層間是否使用界面單元，材料是否預制損傷。實例表明，該程序既可完成單個層壓板及損傷的參數化三維建模，也可應用于裝配形成的多板連接結構的建模，適用范圍廣泛。關鍵詞：Abaqus/Python；三維；復合材料；層壓板；參數化建模 中圖分類號：TP319;TB332

Parametric three-dimensional modeling of composite laminates based on

Abaqus/Python

Yi Pengyue, Yu Zhefeng, Wang Hai(School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)Abstract: Abaqus object model and invoking method of mesh object were discussed.A parametric modeling program for three dimensional composite laminate was developed in which continuum shell or solid element is used.Human-computer interaction was realized by which laminate with interface and damage or not can be selected.Examples show that the program is able to be used not only in the modeling of one laminate and damage but also in the structures consisting of multiple plates by assembling.The application region of the program is wide.Keywords: Abaqus/Python;three dimension;composite;laminate;parametric modeling

引言

由于復合材料高比強度、比剛度及較強可設計性等特點在航空航天以及民用結構中的用量越來越大[1]。層壓板式纖維增強復合材料在結構中應用廣泛，其力學性能成為研究重點[2]。由于材料各向異性，層間性能差，損傷機理復雜，凡考慮層壓板厚度、厚度方向應力分布或層間作用時，基本都需要使用三維模型。Abaqus具有豐富的材料本構和單元類型，并具備強大的二次開發能力，是復合材料結構分析的有力工具。

[3]基于Abaqus有限元分析軟件，賈建東等通過不含界面層的三維復合材料層壓板模型利用Umat編寫材料本構，研究了層壓板的沖擊后剩余壓縮強度；B.G.Falzon等[4]等基于三維

[5]實體模型研究了層壓板的層內漸進損傷并進行了算例驗證；顧亦磊等利用三維層壓板模型

[6]使用Usdfld程序研究了層壓板螺栓連接失效；Volnei Tita等利用三維模型對層壓板靜壓痕試驗進行了有限元仿真研究；張麗等[7]建立了含界面層的層壓板三維有限元模型，利用Vumat子程序進行了復合材料層壓板低速沖擊作用下損傷分析；滕錦等[8]通過含粘性層的三維層壓板模型研究了增韌復合材料的沖擊損傷過程，朱煒垚等[9]僅在鋪層角度不同的層間應用界面

[10-11]層簡化三維模型，研究了層壓板低速沖擊下分層損傷；Craven等建立了含多處分層損傷與纖維損傷的層壓板三維有限元模型，研究了帶損傷層壓板的拉伸、屈曲及后屈曲力學性能；王躍全等[12]利用層壓板修補的三維有限元模型，進行了膠接貼補修理漸進損傷分析；張彥等[13]基于三維復合材料層壓板模型對雙懸臂梁試驗進行仿真，驗證了分層的臨界能量釋放率。

通過Abaqus的前處理模塊進行三維層壓板有限元建模是一個相當重復繁瑣且耗時耗力的工作。如果開發參數化建模程序則可大大提高建模效率，促進層壓板材料的性能分析和研究。本文采用Python腳本語言，基于孤立網格及單元節點信息，通過查找相應單元進行網格偏置，建立三維有限元網格，并賦予單元類型、材料屬性與鋪層角度等。開發完成了可包含界面層及可預制損傷的復合材料層壓板三維參數化建模程序，應用了人機交互界面，對Abaqus對象模型、主要模塊程序流程及實現方法進行介紹，并通過層壓板三維建模例子演示程序的功能。層壓板建模與python腳本

三維復合材料層壓板的建模繁瑣，以基于網格偏置的建模方法為例，首先建立單層的幾何模型，劃分網格后將部件轉化為孤立網格部件，進入mesh模塊，通過Mesh edit功能對單層網格進行偏置，生成界面層或第二層復合材料單層。若為界面層，厚度值賦零，根據建模要求逐層偏置生成復合材料層壓板三維模型，由于網格部件不具備幾何信息，需為每一界面層與復合材料單層建立集合，利用集合為相應單元賦單元類型，材料屬性，鋪層角度等。如果鋪層層數較多，通過用戶界面進行操作，是一個重復工作量大且耗時耗力的過程。

Python腳本接口是Abaqus的二次開發接口之一，它擴充了Python的對象模型和數據類型。一般情況下，腳本接口主要用于前處理、后處理、自定義模塊等。若前處理通過用戶界面建模，需要大量的手動操作,而Python腳本使用區區幾十行代碼則可實現上百次操作的效果，若以此開發復合材料層壓板參數化建模程序，可大大減少工作量，提高效率。

Abaqus/python主要有Session對象、Mdb對象和Odb對象，本文主要對Mdb模型對象進行搜索調用。Mdb對象保存于模型數據庫中，調用前需使用Import語句導入，圖1為Mdb對象結構。通過對part對象的查詢，給出了程序需用到的相關子對象，其中elements下的label、connectivity分別為單元編號、對應的節點編號，nodes下的coordinates、label分別為節點坐標、節點編號。

圖1 Mdb對象結構 Fig.1 Mdb object model tree 2 含損傷的三維層壓板參數化建模

本程序包括層壓板的參數化建模部分和損傷建模部分，流程分別如圖2(a)和圖2(b)所示。對于層壓板的參數化建模，首先根據面內對網格的要求，例如是否需要局部加密等，可通過程序選擇提前劃分網格的平面部件，或者通過程序基于草圖模塊建立網格均勻的平面部件。網格偏置建模，需將平面部件轉化為網格部件，然后根據層間是否引入界面層建立模型，包括不含界面層的層壓板模型、各層間都有界面層的模型以及指定層間加入界面層的模型。由于模型中只含網格信息，為方便相應對象的選擇，需要通過搜索單元編號為各層包括界面層建立單元集合。建立材料后，基于單元集合對相應的區域賦單元類型，對于鋪層單元，可選擇使用連續殼單元或實體單元，界面層單元使用Cohesive單元，對于不同的分析步類型，可分別選擇Standard和Explicit單元，然后建立對應的截面屬性并賦予相應的單元區域，最后根據提示對鋪層角度進行賦值，至此三維層壓板的建模完成。

對于損傷預制部分，建立損傷材料及截面屬性后，會提示預制損傷的位置，可選擇某一鋪層或者界面層，然后需選擇損傷區域形狀，通過對該層所有單元的節點坐標進行遍歷，并判斷單元是否在損傷區域內，如此將該層所有單元劃分為損傷單元集合與未損傷單元集合，為新建的損傷單元集合賦相應的截面屬性。程序包含了兩種基本的損傷形狀，矩形與圓形，可通過循環對同一層單元集合多次預制損傷，取損傷形狀的并集得到諸如橢圓形或花生殼狀的復雜損傷形狀。通過程序的循環，可建立多層、多處損傷。

至此，程序運行完成，用戶只需要修改材料選項與參數，添加邊界條件與載荷，即可提交計算。

(a)層壓板參數化建模(b)損傷預制

圖2 程序流程圖 Fig.2 Program flow chart 3 程序介紹

在腳本語言中首先利用from…import…語句導入相應模塊，從而實現相關函數或對象的調用。程序運行時，為滿足用戶要求，需要通過交互界面進行選擇或者輸入，通過getInput()函數實現，如圖3所示。

圖3 交互界面 Fig.3 Interactive interface 描述層壓板面內形狀的平面部件類型屬于3D的Shell部件，如圖4所示，劃分網格后，轉化生成網格部件，然后輸入鋪層單層厚度，float()函數用于數據類型轉換，通過len()函數對網格部件單元數進行查詢，選擇所有shell單元的上表面，通過generateMeshByOffset()命令生成實體單元即鋪層首層，并激活deleteBaseElements選項刪除殼單元，最后對單元重新編號。

##平面部件生成網格部件并偏置生成鋪層首層 p = mdb.models['Model-1'].parts[planarpartname] p.PartFromMesh(name='Composite_laminates')input2=getInput('Please enter the PLY thickness(mm)','')#輸入單層厚度 plyThickness=float(input2)p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] e=p.elements plyelementNumber=len(e)#查詢網格部件單元數

side2Elements = e[0:plyelementNumber]#選擇要被偏置的shell單元 #網格的偏置操作

p.generateMeshByOffset(region=regionToolset.Region（side2Elements=side2Elements), meshType=SOLID, totalThickness=plyThickness，numLayers=1, offsetDirection=INWARD, shareNodes=True，deleteBaseElements=True)p.renumberElement(startLabel=1, increment=1)# 單元重新編號

生成首層單元后需要繼續偏置建立界面層和各鋪層單元，以指定層間加入界面層的模型為例。首先通過循環結構輸入需要引入界面層的層間編號，并記錄到數組中。首先判斷建立下一層鋪層時是否需要建立界面層，若是，先偏置生成界面層單元并建立集合；若否，則直接生成下一層鋪層單元并建立集合；如此循環直到偏置完成。由于各單層單元總數相同，單元的編號按照生成的先后順序從小到大排序，所以偏置操作的基礎單元可通過計算上次生成的單元編號，根據對象結構進行選擇，單元集合的建立同樣通過計算相應單元的編號進行選擇。

##指定層間加入界面層的三維層壓板網格偏執建模

intface_insert=1

intface_location=[] #循環輸入需引入界面層的層間編號

while intface_insert:

input7=getInput('Enter interface location(e.g Interface3:3)','')

intf_loc=int(input7)

intface_location.append(intf_loc)

input8=getInput('More interface or not(Yes:1,No:0)','')

intface_insert=int(input8)

intface_locationLength=len(intface_location)

intface_locationIndex=0

for x in range(1,plyNumber,1):#循環逐層建模

if x==intface_location[intface_locationIndex] and intface_locationIndex

#網格偏置生成界面層

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

f = p.elements

#計算單元編號選擇偏置操作的基礎單元

face2Elements = f[plyelementNumber*(intface_locationIndex+x-1):(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber]

#網格偏置生成下一層

p.generateMeshByOffset(…)

#界面層單元集合創建

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

e = p.elements

#計算單元編號選擇相應單元

elements = e[(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x+1)*plyelementNumber]

p.Set(elements=elements, name='Interface%d'%(x))#為相應單元建立集合 intface_locationIndex=intface_locationIndex+1

#網格偏置生成鋪層

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

f = p.elements

face2Elements = f[(intface_locationIndex+x-1)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber]

p.generateMeshByOffset(…)

#鋪層單元集合建立

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

e = p.elements

elements = e[(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x+1)*plyelementNumber]

p.Set(elements=elements, name='PLY%d'%(x+1))

網格偏置建模完成后，選擇單元類型，建立材料及相應截面屬性，通過循環基于單元集合為對應區域賦屬性，如圖5所示。同理對鋪層角度賦值，選擇之前建立的鋪層單元集合，利用orientation功能逐層定義材料角度。

##鋪層角度賦值

for x in range(1,plyNumber+1,1):#對各鋪層循環

input3=getInput('Please enter the angle of the PLY%d'%x,'')#輸入當前鋪層的角度

plyAngle=int(input3)

p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates']

region = p.sets['PLY%d'%(x)]#選擇相應鋪層單元集合

orientation = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'].datums[coordinate_id]#選擇參考坐標系 #為相應鋪層賦角度

mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'].MaterialOrientation(region=region，orientationType=SYSTEM, axis=AXIS_3, localCsys=orientation, fieldName=''，additionalRotationType=ROTATION_ANGLE, additionalRotationField=''，angle=plyAngle, stackDirection=STACK_3)

對于損傷區域的建立，首先遍歷各未損傷單元集合，然后根據對象模型樹中數據結構對集合中的單元信息進行查詢判斷。以圓形損傷區域為例，對集合中的每一單元的節點進行遍歷，若該單元所有節點處于區域內，將其編號添加到損傷單元對應的數組中，如果某一節點不在該區域內，則將其編號添加到另一數組中，如此劃分開來，遍歷結束后根據兩組數組中的單元編號分別建立損傷單元集合與未損傷的單元集合。程序運行結束后建立的各鋪層和界面層及損傷區域的單元集合，如圖6所示，根據損傷區域的單元類型建立對應的損傷截面屬性，對損傷的鋪層材料重新賦角度。

##損傷單元集合的建立

for element in eSET:#對該集合中單元進行遍歷

state=0

nE=len(element.connectivity)

#對單元對應的節點進行遍歷并通過節點坐標判斷單元是否位于損傷區域內

for n in range(0,nE):#節點編號遍歷

x=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[0]#當前節點x軸坐標查詢

y=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[1] #當前節點y軸坐標查詢

arcdistance=sqrt((x-coord_xc)**2+(y-coord_yc)**2)

if arcdistance>r+tolerance:#當前節點是否在圓形損傷區域內

state=1

j.append(element.label)#將當前節點對應的單元的編號添加到未損傷集合中

break

if state==0:

i.append(element.label)#將當前節點對應的單元的編號添加到損傷集合中

圖4平面部件

圖5 截面屬性與鋪層角度 圖6 單元集合 Fig.4 Planar part

Fig.5 Section and ply angle

Fig.6 Element sets 應用實例

在圓形復合材料層壓板沖擊模型中，需要對沖擊點處網格進行細化，基于預先劃分網格的平面部件，運行程序得到的層壓板模型如圖7所示。在研究材料損傷對受壓層壓板應變場的影響時，需建立花生殼狀的分層區域，運行程序，完成層壓板建模后，選擇預制損傷，損傷區域通過取圓心不同的兩個圓形區域的并集得到，如圖8所示。

圖7 三維復合材料層壓板模型 圖8 花生殼狀分層

Fig.7 Three dimensional composite laminates model

Fig.8 Peanut shape delamination

在復合材料材料層壓板螺栓連接孔邊擠壓破壞的研究中，基于預先劃分網格的平面部件，運行程序得到層壓板模型，并將其與金屬釘模型進行裝配得到釘連接模型，如圖9(a)所示。在復合材料層壓板的雙搭接修補模型拉伸強度分析中，運行程序得到母片與補片的層壓板模 形，并在母片的修補區域通過偏置生成膠層模型，然后進行雙搭接的裝配并利用Merge命令合并重節點從而將結構轉化為整體，模型如圖9(b)所示。

(a)

圖9 復合材料層壓板螺栓連接與雙搭接

Fig.9 Bolted Joint and double lap joint of composite laminates

(b)結論

(1)構建程序流程，嵌入內部循環，加入交互界面，既保證了程序結構的簡明易實現，又滿足了參數輸入和循環操作的要求。

(2)分析了對象模型的數據結構，并應用到單元與節點的搜索篩選，實現了基于網格信息的參數化建模過程，為基于網格信息的參數化操作提供了參考。(3)根據有限元分析要求，程序可建立多種形式的三維層壓板模型,并可實現損傷建模，也可應用于基于層壓板的多板結構的建模，適用范圍廣，建模效率高。參考文獻：

(a)

[1]張小娟,張博平,張金奎 等.基于凹坑深度的復合材料低速沖擊損傷分析[J].實驗力學, 2010,25(3):234-238.[2]矯桂瓊，賈普榮.復合材料力學[M].西安：西北工業大學出版社，2008.3.[3]賈建東，丁運亮，劉曉明.復合材料層合板沖擊后剩余強度的工程估算方法和有限元模擬分析[J].南京航空航天大學學報，2010，42(3),335-339.[4]Falzon B G, Apruzzese P.Numerical analysis of intralaminar failure mechanisms in composite structure[J].Composite Structures,2011,93(2):1039-1053.[5]顧亦磊，趙美英.復合材料層合板螺栓連接失效分析[J]航空計算技術，2006,36,(2):110-113.[6]Tita V, Carvalho J, Vandepitte D.Failure analysis of low velocity impact on thin composites laminates [J].Composites Structure,2008,83:413-428.[7]張麗,李亞智,張金奎.復合材料層合板在低速沖擊作用下的損傷分析[J].科學技術與工程,2010,5(10):1170-1174.[8]滕錦，李斌太，莊茁.z-pin增韌復合材料層合板低速沖擊損傷過程研究[J].工程力學，2006,23(1)：209-216.[9]朱煒垚,許希武.復合材料層合板低速沖擊損傷的有限元模擬[J].復合材料學報,2010,6(27):200-207.[10]Craven R, Sztefek P, Olsson R.Investigation of impact damage in multi-directional tape laminates and its effect on local tensile stiffness[J].Composites Science and Technology,2008,68:2518–2525.[11]Craven R, Iannucci L, Olsson R.Delamination buckling: A ?nite element study with realistic delamination shapes, multiple delaminations and ?bre fracture cracks[J].Composites: Part A,2010,41:684-692.[12]王躍全,童明波,朱書華.復合材料層合板膠接貼補修理漸進損傷分析[J].復合材料學報,2011,28(3):197-202.[13]張彥.纖維增強復合材料層合結構沖擊損傷預測研究[D].上海: 上海交通大學博士學位論文,2007.作者簡介：伊鵬躍(1988-),男，山東泰安人，碩士。研究方向：飛行器結構強度。E-mail：yipengyue@sjtu.edu.cn

第二篇：輕質點陣結構的參數化建模及力學性能研究分析論文

引言

隨著3D打印技術和材料制備技術的高速發展，輕質多孔點陣材料作為近年來興起的力學性能極為優異的新一代輕質高強多功能材料，廣泛應用于組織工程學、航空航天、船舶制造等領域。相比傳統材料，輕質多孔點陣材料最大不同在于其具有千變萬化的微結構和高孔隙率(大于7000)，因面具有輕質量、高強度、高效散熱、能吸收電磁波，以及多功能可設計性等特有的優良性能。近年來，相關輕質點陣結構力學性能的研究受到了國內外專家的高度重視。Dede等介紹了一種設計單層或多層的周期性點陣結構技術，并對單層點陣結構進行了力學性能的計算分析。張錢城等根據各類輕質點陣材料的胞元結構分析其力學性能，并分析了強化輕質點陣結構力學性能的主要方法。陳立明等通過對輕質點陣夾層的力學性能研究，利用輕質點陣結構的均質化等效理論模型，建立了輕質點陣圓柱殼的強度模型以及剛度模型，最后與有限元分析結果進行了對比驗證。Tekoglu等通過對多孔點陣材料在壓縮、彎曲和剪切條件下的理論和仿真分析，研究了其單元尺寸變化對力學性能的影響關系。Fan等對輕質點陣結構力學性能提出了理論模型方法并對其進行了相應的試驗研究。以上研究多為對胞元形式構成的點陣結構模型的力學性能的研究，面沒有涉及對胞元結構參數化建模以及多種胞元結構構建試件的對比研究。

本文設計了基于長方體空間微結構衍生的胞元結構，并建立其數學模型以構建試件的參數化模型及分析系統。針對分別由邊結構、頂點結構、面心結構、互連頂點結構以及內十字心結構構建的長方體試件，通過改變胞元尺寸及數量或胞元支柱截面半徑，保證試件結構尺寸及質量不變，分析比較在拉壓、彎曲、扭轉情況下試件的力學性能，并通過動力學模態分析進行驗證，提出了在各種載荷下點陣結構材料的設計方法。

1輕質點陣結構參數化建模

1.1胞元結構設計

輕質多孔點陣材料通過模擬分子點陣構型，并由節點和節點間連接桿件單元組成一種具有周期性的拓撲結構，不同的胞元結構構成的點陣材料會產生千差萬別的力學性能。常見的三維點陣構型有編織疊層夾芯結構、三維全三角點陣結構、八面體結構、四面體和四棱錐點陣夾芯結構以及三維Kagome結構。本文所設計的胞元結構由長方體空間微結構衍變面來，根據六面體結構的特性，選取頂點、體心、面心以及棱邊中點等關鍵點作為構建基本胞元結構的特征參數，設計了5種典型胞元結構。由12條圓柱棱邊構成長方體，具備一般結構的特性;由長方體中心與8個頂點支柱相連構成，能夠很好地將載荷傳遞到體心節點;面心結構，由長方體表面中心與相鄰表面中心支柱相連構成，具備良好的載荷傳遞能力;為互連頂點結構，由長方體中心與8個頂點通過支柱相連且同側頂點依次相連構成，其對頂點結構的端點進行了加強;為內十字面心結構，由長方體上下表面中心到側面中心相連且相對表面中心互連構成，內十字結構具備良好的應對三向拉壓能力。

1.2輕質點陣結構參數化建模系統

基于長方體空間的輕質點陣結構參數化建模流程主要概括為胞元結構的選擇、胞元尺寸的參數設置、空間密度的計算插值、試件參數的設置、有限元分析以及實例學習。主要包括以下7個步驟:

(1)根據六面體結構的特性，計算頂點、體心、面心及棱邊中點等關鍵點作為構建基本胞元結構的特征參數并存儲;

(2)選擇不同關鍵點并設定連線規則，得到不同的胞元結構并與胞元結構數據庫進行匹配;(3)全部胞元結構與實例庫進行匹配，當全部相同時，表明己存在相關數據，可直接輸出實例數據;

(4)比較不同胞元支柱總長，設定最短的為基本胞元結構，并設置其結構尺寸參數;

(5)進行改變胞元尺寸或支柱截面半徑兩種方式下的空間密度二分法插值計算，并與基本胞元結構空間密度值比較;

(6)設置基本胞元結構試件參數，得到各胞元結構試件參數數據及模型;

(7)進行有限元分析，將設計實例及相關參數存儲到數據庫，為以后新胞元結構數據對比研究時進行相同匹配。

2點陣材料的力學性能研究

2.1彎曲載荷有限元分析.為通過改變胞元尺寸及數量構建的5種試件，分別施加彎曲載荷進行有限元分析求解試件的總變形云圖。邊結構受載胞元層發生整體變形較大，說明此種結構胞元抵抗彎曲能力差;頂點結構受載胞元層與第二層變形量相差較大，且靠近固定端變形量很小，說明此種胞元結構承受彎曲載荷能力很差，傳遞載荷能力較差。

5種點陣結構試件受到彎曲載荷時總變形、軸應力、最小組合應力以及最大組合應力相對于邊結構的比值。

點陣結構試件受到彎曲載荷時:面心結構及內十字面心結構抗彎曲能力最強，互連頂點結構稍差于這兩種結構，但面心結構在改變胞元截面半徑情況下組合應力值較小，結合圖6c可知試件高方向上胞元數量補半值產生了一定的影響;邊結構抗彎曲能力一般;頂點結構的抗彎曲能力最差。在兩種情況下，試件抗彎曲力學性能總體表現相似;由最小最大組合應力對比情況可知，彎曲載荷條件下，胞元支柱的軸向拉應力和壓應力數值接近。

2.2扭轉載荷有限元分析。

為通過改變胞元支柱截面半徑構建荷時總變形、軸應力、最小組合應力及最大組合應力相對于邊結構的比值。

5種點陣結構試件受到扭轉載荷時:邊結構總變形明顯大于其他4種結構，但其彎曲應力較小;頂點結構具有較好的抵抗扭轉變形的能力，但承受一定的彎曲應力;面心結構具有最強的抗扭轉變形能力，但其具有較大的組合應力，說明其彎曲應力很大;互連頂點結構在改變胞元支柱截面半徑情況下抗扭能力最強，其最小最大組合應力在改變胞元尺寸及數量情況下明顯變差;內十字面心結構表現一般，其在改變胞元尺寸及數量情況下最小最大組合應力比在改變胞元支柱截面半徑情況下好。同樣，在兩種情況下邊結構、頂點結構和面心結構試件抗彎曲力學性能總體表現相似;由最小最大組合應力對比情況可知，扭轉載荷條件下，胞元支柱的軸向拉應力和壓應力數值接近。

2.3試件動力學模態分析

分別對5種點陣結構試件進行模態分析，求解其前6階固有頻率與對應的振型，分析結果得到1階彎曲、1階扭轉的模態頻率及對應總變形，并驗證試件的抗彎、抗扭剛度。

當激勵頻率在1階固有頻率處駐留時，試件發生了1階豎直彎曲變形。邊結構與頂點結構對比可知，在頻率相近時頂點結構的總變形明顯偏大，說明頂點結構抵抗彎曲變形的剛度比邊結構小;其他3種點陣結構頻率為邊結構3倍左右，總變形稍大于邊結構，說明這3種試件具有明顯的抵抗彎曲變形的剛度優點。在3階固有頻率處駐留時，試件發生了1階扭轉變形。其他4種點陣結構共振頻率明顯大于邊結構，說明這4種結構具有較好的抗扭能力，互連頂點結構具有最優的抗扭剛度。

3結論

(1)在分別改變胞元尺寸及大小或胞元支柱截面半徑兩種情形下，試件的力學性能總體基本相似。

(2)邊結構具有一定的抗拉/抗壓能力，但其在抗彎和抗扭方面表現一般。

(3)頂點結構的綜合力學性能表現最差，其抗扭能力稍強于抗拉/抗壓和抗彎能力。

(4)面心結構的抗拉/抗壓以及抗彎曲能力表現出色，但其抗扭能力表現較差，且需注意改變胞元尺寸及數量時試件高方向的補半會對力學性能有一定影響。

(5)互連頂點結構綜合力學性能最優，抗拉/抗壓、彎曲、扭轉能力表現較為均衡，但其在改變胞元支柱截面半徑情形下抗拉/抗壓的組合應力稍大，且承受扭轉載荷時在變支柱截面半徑情況下表現較好。

(6)內十字面心結構總體力學性能較為優秀，但其抗扭轉力學性能表現一般，在改變胞元尺寸及數量情況下力學性能稍好于在改變胞元支柱截面半徑情形下。

第三篇：噴淋式飽和器的三維參數化設計及其內部流場模擬(ljdh)

噴淋式飽和器的三維參數化設計及其內部流場模擬

穆傳冰 王慶豐 章平李順弟

（北京首鋼國際工程技術有限公司 焦化設計室 北京 100043）

摘 要：介紹了利用三維參數化機械設計軟件對噴淋式飽和器進行了參數化建模設計，與傳統的二維設計相比做到了精確表達尺寸和,直觀的反映其結構特點，利用關鍵參數控制模型尺寸，可以依據化工工藝專業的需要進行快速精準設計,并基于該三維模型的設計成果利用流體分析軟件對噴淋式飽和器的內部流場進行了數值模擬并對其結果進行了討論。關鍵詞：噴淋式飽和器；三維參數化；設計；有限元；數值模擬

Three-dimensional Parametric Design and internal flow field numerical stimulation of Spray Saturator

Mu-Chuanbing Wang-Qingfeng Zhang-Ping Li-Shundi(Coking design division, Beijing Shougang International Engineering Technology Co., Ltd.Beijing 100043, China)

Abstract: Introduced parametric modeling of Spray Saturator by three-dimensional design software, precision and intuitionist expressed dimension, and structure-characteristic compare with traditional two-dimensional drawing, dispensed with complex calculation by controlling model dimension used key-parameter, precision and rapid design according to the requirement of technique and engineering, carrying on numerical stimulation by using hydrodynamic analysis software according to this three-dimensional parametric model.Key words: Spray Saturator;Three-dimensional Parametric;Design;FEM;Numerical stimulation 概述

噴淋式飽和器是焦爐煤氣凈化過程中半直接法生產硫酸銨的主要設備，自上世紀90年代由法國引進后，得到了廣泛的應用，其材質一般選用316L超低碳不銹鋼焊接制造，對于母液循環噴灑部分一般采用904L超級不銹鋼制作,具有設備使用時間長，煤氣系統阻力小，結晶顆粒大，硫酸銨質量好，工藝流程短，易操作等諸多優點[1]。但是由于其結構較為復雜，采用傳統二維圖紙對其結構的表達不夠清晰和直觀。在設備制造過程中，其復雜零件尺寸控制的問題也一直困擾著設備制造單位。

隨著計算機技術的發展，三維參數化機械設計軟件逐漸得到了廣泛的應用，利用簡單的幾何約束關系和關鍵參數驅動就能完成設備的三維設計，并快速給出工程圖，省去了傳統二維制圖復雜的投影關系的轉換和尺寸計算，特別適用于噴淋式飽和器這種形狀特殊復雜的結構設計。本文以某煤氣凈化回收工程設計的噴淋式飽和器為例進行三維參數化設計，并對其內部流場進行了數值模擬和與探討。噴淋式飽和器的結構

噴淋式飽和器一般分為上段和下段，上段為吸收室，下段為結晶室。兩室間采用錐形封頭隔開，吸收室又分為前室、環形區域和后室三部分，結晶室由外筒體和降液管組成，通過降液管與吸收室相連。在吸收室內置除酸器，除酸器為旋風分離器結構，由內外套筒兩部分組成，外套筒開切線方向的方孔與吸收室的后室相連通[1]。噴淋式飽和器的結構如圖1所示：

(a）主視圖

(b）左視圖

(c）俯視圖

圖1 噴淋式飽和器的結構

由圖1可以看出，使用二維工程圖設計的噴淋式飽和器并不能清晰的表達其結構，二維工程圖一般采用局部剖切視圖等方法來分視圖表達內部結構，但是往往效果不明顯，過多的剖切視圖會增加制造者按圖施工的難度，特別是結晶室的后室與除酸器的外筒的連接部分更加難以清晰表達，對于設計單位和制造廠家而言都造成了困難，而且不能直觀的表達出設備各部分準確位置關系。噴淋式飽和器的三維參數化設計

3.1 設計參數的確定

三維參數化設計軟件進行噴淋式飽和器的設計，首先需要找出該設備的主要幾何參數和設備各部分的幾何約束關系，由于設備的復雜性導致參數過多，表1中只列出設備外形尺寸的關鍵參數：

表1 噴淋式飽和器外形尺寸關鍵參數

名稱 煤氣出口 結晶室 除酸器外筒體 除酸器內筒體 降液管 錐體

外徑D 1220 4616 3116 1220 666 4616/666

壁厚t 8 8 8 8 8 8

長度L 250 2785 5335 3875 3875 1145

利用上述關鍵參數再結合各零部件之間幾何約束關系和定位尺寸，使用拉伸和旋轉等常規建模方式將設備的這幾部分模型率先建立，飽和器結構最復雜的吸收室的后室與除酸器的外筒的連接部分是不規則曲面體，這部分的建模采用常規建模和三維曲面切割實體的方法得到，保證了后室的曲面與除酸器外筒體的相切，真實表達了該部分的結構。設備上的接管等零部件可以通過各自的幾何參數和定位尺寸較為簡單的生成，在建模過程中還要充分考慮各參數之間的關聯關系，把握好參數間的關聯才能真正做到參數化設計。

3.2 三維參數化設計的結果

經過上述步驟，可以得到如圖2所示的三維參數化模型：

圖2 噴淋式飽和器三維參數化模型

3.3 有關結果的討論

從圖2可以看出，利用三維設計軟件的裝配透視功能，設備內部的復雜結構可以得到清晰的表達，該模型可以通過參數的修改快速得到不同尺寸的模型結果，以滿足化工工藝專業根據不同規模工程的設計選型的需求。和傳統二維設計相比，設計精度更容易得到保證，基于該模型的工程圖的尺寸和標注也可跟隨參數的變化做相應的調整，省去了繁瑣的尺寸修改和標注的過程，因此設計效率也得到了很大的提高。在設備制造過程中，可以將三維參數化模型中的各零部件分別輸出快速給出工程圖尺寸，作為設備零部件的下料尺寸，保證了制造精度。在設備零部件安裝過程中，該模型可以進行爆炸分解，可以起到安裝指導的作用。需要指出的是，該三維參數化模型未考慮零部件焊接尺寸的影響，為此在設計時留有尺寸裕量。在實際制造過程中需要制造單位依據相應的焊接標準規范等對焊接坡口尺寸進行設計和加工。噴淋式飽和器內部流場的數值模擬

4.1 工藝參數的確定

根據工藝計算結果和實際生產條件，確定了工藝參數見表2所示：

表2 噴淋式飽和器的工藝參數

名稱

煤氣入口速度 m/s 煤氣出口壓強 Pa 參考壓強 Pa 煤氣溫度 ℃

數值 15 2x101x105

焦爐煤氣各組份的含量見表3所示：

表3 焦爐煤氣的組成

名稱 體積百分含量 %

H2 60

CH4 30

其它（CO、CO2、O2等）4.2 內部流場模型的建立

為了準確進行內部流場數值模擬，首先要了解煤氣在設備內的流動過程，煤氣在的煤氣進過預熱后進入噴淋式飽和器的吸收段的前室，分成兩股沿飽和器水平方向進入吸收段的環形室做環形運動，然后匯合后進入吸收段的后室，再以切線方向進入內置除酸器，然后通過設備中心出口管離開飽和器[2.3]。

由于飽和器內部有復雜的相交曲面結構，傳統的專業有限元軟件的建模功能難以勝任，為保證建模效果，本次模擬將利用三維設計軟件的設計結果得到流場模型，導入有限元軟件進行相應調整，進行劃分網格，定義邊界條件，得到的流場模型結果如圖3所示：

圖3 噴淋式飽和器內部流場有限元模型

需要指出的是，本模型只包含噴淋式飽和器的吸收段，主要模擬煤氣在吸收段的流動情況，并做了以下幾個簡化和假設：

1.模型的下部邊界是以噴淋式飽和器的水封高度為依據確定； 2.除煤氣出入口以外，所有界面均為剛性光滑表面； 3.不考慮噴灑液體對煤氣流動的影響； 4.省略了噴灑管、接管等附屬結構； 5.焦爐煤氣組分僅為H2和CH4組分；

模擬采用穩態模式（既不考慮時間對結果的影響），煤氣入口采用速度初始條件，煤氣出口采用平均壓強初始條件，這樣的設置更容易得到收斂的結果[4.5]。

4.3 數值模擬的計算結果

經過有限元軟件計算得到了煤氣在設備內的流體軌跡線、速度、壓強等結果。為了直觀的顯示飽和器內部流暢的結果，選取了三個截面，分別是YZ截面，對應于X方向；XZ截面，對應于Y方向；XY平面在環形區域的平行截面，對應于Z方向，分別賦予流體軌跡、線速度、壓強等結果，如圖4~圖6所示

1．流體軌跡線

X向軌跡線

Y向軌跡線

Z向軌跡線

圖4 流體在噴淋式飽和器內部的軌跡線

由流體軌跡線的三向視圖可以得到焦爐煤氣在噴淋式飽和器吸收段的流動情況，首先在環形室分成兩股流，在后室匯合后以切線方向進入內置除酸器，沿外筒壁面向下做旋轉運動，最后進入內置除酸器內筒以螺旋流動的方式從頂部出口流出；

2．速度分布

X向截面速度分布

Y向截面速度分布

Z向截面速度分布

圖5 流體在噴淋式飽和器截面的速度分布

由速度分布圖X、Y向視圖可知，流體在環形室中的流動速度較慢，這樣更利于煤氣與循環噴灑液的充分接觸，以利于氨的吸收，在煤氣進入除酸器后流速明顯加快，最大流速出現在除酸器內筒入口處，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出現速度為零的區域，在從Z向圖中可以看出煤氣在環形室的流動并不呈現對稱分布的形態；

3．壓強分布

X向截面壓強分布

Y向截面壓強分布

Z向截面壓強分布

圖6 流體在噴淋式飽和器截面的壓強分布

由壓強分布圖可以看知，在煤氣入口、環形室、除酸器外筒體近壁面處壓強較大，環形室部分壓強分布較為均勻。除酸器內部壓強沿徑向梯度分布，外筒邊緣壓強最大，最小壓強出現在除酸器內筒進口部位； 結論

噴淋式飽和器自上世紀90年代從國外引進以來，已經經歷了近20年發展，其設計和制造經驗已經相當豐富，但是利用三維參數化設計手段精準設計和焦爐煤氣在其內部流動狀態的研究模擬還存在著不足。

隨著計算機技術的發展，三維參數化設計和計算流體力學等設計手段和研究方法不斷的進步可以推動對其研究的不斷深入。通過三維參數化設計手段的運用可以更直觀的了解噴淋式飽和器的結構特點，可以通過改變關鍵參數來快速得到三維模型結果，了解各個參數的變化對模型外形尺寸的影響規律；利用流體計算軟件可以得到煤氣在設備內部的流動狀態，掌握煤氣的流動規律，為設備結構的改進提供理論依據。

由于篇幅所限，本文的噴淋式飽和器內部流場的模擬只是對于吸收段進行的，得到了初步的計算結果并進行了討論。但對于并未考慮噴灑液體對氣體流動的影響，對計算結果還缺乏深入探討，今后，還將在其基礎之上不斷改進，如采用兩相流計算模型，優化除酸器結構等，在模型應用的普遍性、快捷性方面取得更好的結果。

參 考 文 獻

[1] 何建平，李輝.煉焦化學產品回收技術[M].冶金工業出版社, 2006：68-69 [2] 丁玲.噴淋式飽和器法煤氣脫氨生產中問題分析[J].冶金動力, 2009, 134(4): 37-42 [3] 楊永利，張管，陳濤.煤氣中氨脫除噴淋式飽和器的改進[J].煤化工, 2009, 144(5): 49-52 [4] 張亞軍.CFD技術在化工機械設計中的應用[J].貴州化工, 2006, 31(3): 47-50 [5] 封躍鵬，姜大志.旋風分離器在結構上的改進[J].燃料與化工, 2009, 40(2): 9-11

作者簡介：穆傳冰（1982—）男，遼寧省大連市人，工程師，碩士研究生，目前從事化工設備設計工作。