以过程设备设计教学为例浅谈专业软件在课程教学中的应用

张羽翔，刘亚莉

(郑州轻工业学院材料与化学工程学院，河南郑州 450002)

1 过程设备设计课程特点

过程设备设计是过程装备与控制工程本科专业的核心课程，课程目的是使学生掌握过程设备设计的基本原则与方法，对工程实际中用到的设备进行结构设计和强度计算，培训学生解决工程实际问题的能力。过程设备设计的压力容器部分理论性较强，尤其是压力容器中的应力分析部分，内容抽象枯燥，公式推导繁琐，学生容易对课程失去兴趣;过程设计部分中设备和零部件的结构特征及强度计算与校核是教学难点。笔者认为在理论教学过程中结合相关专业软件的使用(如有限元分析软件ANSYS、常规设计软件SW6、压力容器分析设计软件VAS、三维设计软件Pro/E)，不仅可以帮助学生加深对问题理解和认识，还可以激发学生学习兴趣，丰富课堂教学内容，扩展学生的知识面，为今后的毕业设计打下良好基础，为将来就业增加一技之长。

2 相关软件在教学中的应用

2.1 有限元分析软件ANSYS

ANSYS是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。

ANSYS软件的力学分析功能强大，其中的结构静力分析是用来求解外载荷引起的位移、应力和力，可进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面等，还可以求解模态分析、谱分析、瞬态动力、谐波响应及随机振动的动力分析问题。利用ANSYS软件可以求解在各种外载荷和变形约束下设备上所有点的应力分布状态，可以解决理论及常规设计不能解决的力学问题。

过程设备设计的压力容器部分涉及到一些理论知识，如薄壁回转壳体受外压的弹性失稳、受内压壳体与接管的应力分布以及平板上开孔引起的应力集中等问题，如果运用ANSYS软件对其进行结构分析，并将分析结果以图形的形式直观形象的展示给学生，可使得学生加深对问题的理解和认识，提高教学质量。

ANSYS是目前应用最为广泛且操作简单的有限元分析软件之一。学有余力且对ANSYS软件进行力学分析感兴趣的学生可以在课余时间进行学习。可启发学生从分析厚壁圆筒应力分布等简单问题入手熟悉软件使用的步骤，得到的数值结果并用拉美公式验证其正确性。通过建模、结构分析、后处理等不但可以加深对厚壁容器应力分布规律的理解和认识，增强学生的学习兴趣和信心，而且还可以让学生多掌握一种分析问题的工具，提高自身独立分析问题、解决问题的研究能力，可以使学生拓宽知识面，初步了解有限元这种力学分析方法。

2.2 常规设计软件SW6

常规设计有称“按规则设计”，以区别与分析设计。常规设计只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷。常规设计包括圆柱形筒体、封头、密封装置、开孔和开孔补强、支座和检查孔、安全泄放装置的设计和选用。

目前用于常规设计的软件包是过程设备强度计算软 件 SW6-2011。SW6 是 GB150、GB151、GB12337及JB4731等一系列与压力容器、化工过程设备设计计算有关的国家标准、行业标准为计算模型的设计计算软件。SW6包括十个设备计算程序，分别为卧式容器、塔器、固定管板换热器、浮头式换热器、填函式换热器、U形管换热器、带夹套立式容器、球形储罐、高压容器及非圆形容器等，以及零部件计算程序和用户材料数据库管理程序。SW6零部件计算程序可单独计算最为常用的受内、外压的圆筒和各种封头，以及开孔补强、法兰等受压元件，也可对HG/T 20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中的一些较为特殊的受压元件进行强度计算，十个设备计算程序则几乎能对该类设备各种结构组合的受压元件进行逐个计算或整体计算。

在设计中运用成熟的设计软件SW6可显著提高工作效率，在课堂中可以向学生简单介绍本软件包的功能。对此软件感兴趣的学生可以在课程设计或毕业设计中使用该软件包进行设计，根据软件形成的过程设备设计计算书对结构设计进行指导，提高设计工作的效率和准确性。

2.3 压力容器分析设计软件VAS

分析设计是指以塑性失效准则为基础，采用精细的力学分析手段的压力容器设计方法。目前，分析设计主要包括应力分类法和基于失效模式的直接法。应力分类法是当今压力容器分析的主流方法，其基本思想是对各种外载荷或变形约束下产生的应力进行严格而详细地计算，然后按照危害性大小进行分类，再按照不同的设计准则来限制，保证容器在使用期内不发生各种形式的失效。应力计算方法有解析法、数值法(如有限元分析法ANSYS)、实验法。

压力容器分析设计软件VAS是依据JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》研制开发的用于压力容器分析设计的专用软件。分析软件包主要用于对压力容器的局部开孔及存在接管载荷结构进行强度、疲劳、失稳等工况的分析计算与评定，并可根据计算结果自动强度评定与生成分析报告。

在压力容器分析设计领域，与国际通用有限元软件相比，本软件的主要优势有:输入简单，模型及载荷工况的输入采取参数化输入方式，用户只需输入模型的基本几何参数，载荷加载方式，即可自动生成有限元计算模型;计算简便，生成的模型可使用自有计算模块计算，也可以导入ANSYS中进行计算，导入方便;可自动进行应力分类并自动生成WORD计算分析报告并依据《钢制压力容器-分析设计标准》进行评定。

目前该软件包计算模型包括柱壳开孔、正锥开孔、偏锥开孔、椭圆封头、柱壳开方孔、三通四通、球冠封头、蝶形封头、带增强法兰椭圆封头、柱壳内插接管、球罐接管、柱壳切向开孔、柱壳封头开孔、柱壳极限开孔、封头极限开孔等15个计算模型。计算类型包括强度计算、疲劳计算、稳定性计算、极限载荷计算。在课程中讲解封头、开孔接管等问题时，可以将运用此软件分析的结果展示给学生，将抽象的数据变换为形象生动的彩色应力云图，有助于学生对问题的理解。

2.4 三维设计软件

Pro/Engineer是目前世界上最为普及的CAD/CAM/CAE软件之一，基本上成为三维CAD的一个标准平台，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业，是一个全方位的3D产品开发软件。

对于过程设备设计中设备结构部分，学生对设备及零部件结构的认识和理解是教学难点。利用三维设计软件Pro/E制作塔设备、管壳式换热器、机械搅拌反应釜等典型设备零部件的三维实体模型及固定管板式换热器、U形管换热器、浮头式换热器、填料塔、机械搅拌反应釜等的三维虚拟拆装动画，在课堂中可以生动形象地演示其内部结构及其制造、装配过程，增加学生的感性认识。

对设计感兴趣的同学或致力于从事设计工作的学生可以自主学习三维设计软件，为以后就业打下良好的基础。

3 小结

在课堂教学中应用ANSYS、Pro/E等软件可以帮助学生加深对难点问题的理解和掌握，但要注意专业软件在课程教学中为辅助教学，介绍软件的时候要把握好度，点到为止。