第一篇：基于python三维复合材料层压板参数化建模6-28
基于Abaqus/Python的三维复合材料层压板有限元建模参数化开发
伊鹏跃，于哲峰，汪海
（上海交通大学 航空航天学院，上海 200240）
摘要：讨论了Abaqus对象模型及网格对象的调用方法。利用Python脚本，开发了可应用连续壳或实体单元的三维复合材料层压板参数化建模程序。通过了人机交互，可选择层间是否使用界面单元，材料是否预制损伤。实例表明，该程序既可完成单个层压板及损伤的参数化三维建模，也可应用于装配形成的多板连接结构的建模，适用范围广泛。关键词：Abaqus/Python；三维；复合材料；层压板；参数化建模 中图分类号：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
由于复合材料高比强度、比刚度及较强可设计性等特点在航空航天以及民用结构中的用量越来越大[1]。层压板式纤维增强复合材料在结构中应用广泛，其力学性能成为研究重点[2]。由于材料各向异性，层间性能差，损伤机理复杂，凡考虑层压板厚度、厚度方向应力分布或层间作用时，基本都需要使用三维模型。Abaqus具有丰富的材料本构和单元类型，并具备强大的二次开发能力，是复合材料结构分析的有力工具。
[3]基于Abaqus有限元分析软件，贾建东等通过不含界面层的三维复合材料层压板模型利用Umat编写材料本构，研究了层压板的冲击后剩余压缩强度；B.G.Falzon等[4]等基于三维
[5]实体模型研究了层压板的层内渐进损伤并进行了算例验证；顾亦磊等利用三维层压板模型
[6]使用Usdfld程序研究了层压板螺栓连接失效；Volnei Tita等利用三维模型对层压板静压痕试验进行了有限元仿真研究；张丽等[7]建立了含界面层的层压板三维有限元模型，利用Vumat子程序进行了复合材料层压板低速冲击作用下损伤分析；滕锦等[8]通过含粘性层的三维层压板模型研究了增韧复合材料的冲击损伤过程，朱炜垚等[9]仅在铺层角度不同的层间应用界面
[10-11]层简化三维模型，研究了层压板低速冲击下分层损伤；Craven等建立了含多处分层损伤与纤维损伤的层压板三维有限元模型，研究了带损伤层压板的拉伸、屈曲及后屈曲力学性能；王跃全等[12]利用层压板修补的三维有限元模型，进行了胶接贴补修理渐进损伤分析；张彦等[13]基于三维复合材料层压板模型对双悬臂梁试验进行仿真，验证了分层的临界能量释放率。
通过Abaqus的前处理模块进行三维层压板有限元建模是一个相当重复繁琐且耗时耗力的工作。如果开发参数化建模程序则可大大提高建模效率，促进层压板材料的性能分析和研究。本文采用Python脚本语言，基于孤立网格及单元节点信息，通过查找相应单元进行网格偏置，建立三维有限元网格，并赋予单元类型、材料属性与铺层角度等。开发完成了可包含界面层及可预制损伤的复合材料层压板三维参数化建模程序，应用了人机交互界面，对Abaqus对象模型、主要模块程序流程及实现方法进行介绍，并通过层压板三维建模例子演示程序的功能。层压板建模与python脚本
三维复合材料层压板的建模繁琐，以基于网格偏置的建模方法为例，首先建立单层的几何模型，划分网格后将部件转化为孤立网格部件，进入mesh模块，通过Mesh edit功能对单层网格进行偏置，生成界面层或第二层复合材料单层。若为界面层，厚度值赋零，根据建模要求逐层偏置生成复合材料层压板三维模型，由于网格部件不具备几何信息，需为每一界面层与复合材料单层建立集合，利用集合为相应单元赋单元类型，材料属性，铺层角度等。如果铺层层数较多，通过用户界面进行操作，是一个重复工作量大且耗时耗力的过程。
Python脚本接口是Abaqus的二次开发接口之一，它扩充了Python的对象模型和数据类型。一般情况下，脚本接口主要用于前处理、后处理、自定义模块等。若前处理通过用户界面建模，需要大量的手动操作,而Python脚本使用区区几十行代码则可实现上百次操作的效果，若以此开发复合材料层压板参数化建模程序，可大大减少工作量，提高效率。
Abaqus/python主要有Session对象、Mdb对象和Odb对象，本文主要对Mdb模型对象进行搜索调用。Mdb对象保存于模型数据库中，调用前需使用Import语句导入，图1为Mdb对象结构。通过对part对象的查询，给出了程序需用到的相关子对象，其中elements下的label、connectivity分别为单元编号、对应的节点编号，nodes下的coordinates、label分别为节点坐标、节点编号。
图1 Mdb对象结构 Fig.1 Mdb object model tree 2 含损伤的三维层压板参数化建模
本程序包括层压板的参数化建模部分和损伤建模部分，流程分别如图2(a)和图2(b)所示。对于层压板的参数化建模，首先根据面内对网格的要求，例如是否需要局部加密等，可通过程序选择提前划分网格的平面部件，或者通过程序基于草图模块建立网格均匀的平面部件。网格偏置建模，需将平面部件转化为网格部件，然后根据层间是否引入界面层建立模型，包括不含界面层的层压板模型、各层间都有界面层的模型以及指定层间加入界面层的模型。由于模型中只含网格信息，为方便相应对象的选择，需要通过搜索单元编号为各层包括界面层建立单元集合。建立材料后，基于单元集合对相应的区域赋单元类型，对于铺层单元，可选择使用连续壳单元或实体单元，界面层单元使用Cohesive单元，对于不同的分析步类型，可分别选择Standard和Explicit单元，然后建立对应的截面属性并赋予相应的单元区域，最后根据提示对铺层角度进行赋值，至此三维层压板的建模完成。
对于损伤预制部分，建立损伤材料及截面属性后，会提示预制损伤的位置，可选择某一铺层或者界面层，然后需选择损伤区域形状，通过对该层所有单元的节点坐标进行遍历，并判断单元是否在损伤区域内，如此将该层所有单元划分为损伤单元集合与未损伤单元集合，为新建的损伤单元集合赋相应的截面属性。程序包含了两种基本的损伤形状，矩形与圆形，可通过循环对同一层单元集合多次预制损伤，取损伤形状的并集得到诸如椭圆形或花生壳状的复杂损伤形状。通过程序的循环，可建立多层、多处损伤。
至此，程序运行完成，用户只需要修改材料选项与参数，添加边界条件与载荷，即可提交计算。
(a)层压板参数化建模(b)损伤预制
图2 程序流程图 Fig.2 Program flow chart 3 程序介绍
在脚本语言中首先利用from…import…语句导入相应模块，从而实现相关函数或对象的调用。程序运行时，为满足用户要求，需要通过交互界面进行选择或者输入，通过getInput()函数实现，如图3所示。
图3 交互界面 Fig.3 Interactive interface 描述层压板面内形状的平面部件类型属于3D的Shell部件，如图4所示，划分网格后，转化生成网格部件，然后输入铺层单层厚度，float()函数用于数据类型转换，通过len()函数对网格部件单元数进行查询，选择所有shell单元的上表面，通过generateMeshByOffset()命令生成实体单元即铺层首层，并激活deleteBaseElements选项删除壳单元，最后对单元重新编号。
##平面部件生成网格部件并偏置生成铺层首层 p = mdb.models['Model-1'].parts[planarpartname] p.PartFromMesh(name='Composite_laminates')input2=getInput('Please enter the PLY thickness(mm)','')#输入单层厚度 plyThickness=float(input2)p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] e=p.elements plyelementNumber=len(e)#查询网格部件单元数
side2Elements = e[0:plyelementNumber]#选择要被偏置的shell单元 #网格的偏置操作
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)# 单元重新编号
生成首层单元后需要继续偏置建立界面层和各铺层单元，以指定层间加入界面层的模型为例。首先通过循环结构输入需要引入界面层的层间编号，并记录到数组中。首先判断建立下一层铺层时是否需要建立界面层，若是，先偏置生成界面层单元并建立集合；若否，则直接生成下一层铺层单元并建立集合；如此循环直到偏置完成。由于各单层单元总数相同，单元的编号按照生成的先后顺序从小到大排序，所以偏置操作的基础单元可通过计算上次生成的单元编号，根据对象结构进行选择，单元集合的建立同样通过计算相应单元的编号进行选择。
##指定层间加入界面层的三维层压板网格偏执建模
intface_insert=1
intface_location=[] #循环输入需引入界面层的层间编号
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):#循环逐层建模
if x==intface_location[intface_locationIndex] and intface_locationIndex #网格偏置生成界面层 p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] f = p.elements #计算单元编号选择偏置操作的基础单元 face2Elements = f[plyelementNumber*(intface_locationIndex+x-1):(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber] #网格偏置生成下一层 p.generateMeshByOffset(…) #界面层单元集合创建 p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] e = p.elements #计算单元编号选择相应单元 elements = e[(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x+1)*plyelementNumber] p.Set(elements=elements, name='Interface%d'%(x))#为相应单元建立集合 intface_locationIndex=intface_locationIndex+1 #网格偏置生成铺层 p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] f = p.elements face2Elements = f[(intface_locationIndex+x-1)*plyelementNumber:(intface_locationIndex+x)*plyelementNumber] p.generateMeshByOffset(…) #铺层单元集合建立 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)) 网格偏置建模完成后，选择单元类型，建立材料及相应截面属性，通过循环基于单元集合为对应区域赋属性，如图5所示。同理对铺层角度赋值，选择之前建立的铺层单元集合，利用orientation功能逐层定义材料角度。 ##铺层角度赋值 for x in range(1,plyNumber+1,1):#对各铺层循环 input3=getInput('Please enter the angle of the PLY%d'%x,'')#输入当前铺层的角度 plyAngle=int(input3) p = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'] region = p.sets['PLY%d'%(x)]#选择相应铺层单元集合 orientation = mdb.models['Model-1'].parts['Composite_laminates'].datums[coordinate_id]#选择参考坐标系 #为相应铺层赋角度 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) 对于损伤区域的建立，首先遍历各未损伤单元集合，然后根据对象模型树中数据结构对集合中的单元信息进行查询判断。以圆形损伤区域为例，对集合中的每一单元的节点进行遍历，若该单元所有节点处于区域内，将其编号添加到损伤单元对应的数组中，如果某一节点不在该区域内，则将其编号添加到另一数组中，如此划分开来，遍历结束后根据两组数组中的单元编号分别建立损伤单元集合与未损伤的单元集合。程序运行结束后建立的各铺层和界面层及损伤区域的单元集合，如图6所示，根据损伤区域的单元类型建立对应的损伤截面属性，对损伤的铺层材料重新赋角度。 ##损伤单元集合的建立 for element in eSET:#对该集合中单元进行遍历 state=0 nE=len(element.connectivity) #对单元对应的节点进行遍历并通过节点坐标判断单元是否位于损伤区域内 for n in range(0,nE):#节点编号遍历 x=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[0]#当前节点x轴坐标查询 y=allnodes[element.connectivity[n]].coordinates[1] #当前节点y轴坐标查询 arcdistance=sqrt((x-coord_xc)**2+(y-coord_yc)**2) if arcdistance>r+tolerance:#当前节点是否在圆形损伤区域内 state=1 j.append(element.label)#将当前节点对应的单元的编号添加到未损伤集合中 break if state==0: i.append(element.label)#将当前节点对应的单元的编号添加到损伤集合中 图4平面部件 图5 截面属性与铺层角度 图6 单元集合 Fig.4 Planar part Fig.5 Section and ply angle Fig.6 Element sets 应用实例 在圆形复合材料层压板冲击模型中，需要对冲击点处网格进行细化，基于预先划分网格的平面部件，运行程序得到的层压板模型如图7所示。在研究材料损伤对受压层压板应变场的影响时，需建立花生壳状的分层区域，运行程序，完成层压板建模后，选择预制损伤，损伤区域通过取圆心不同的两个圆形区域的并集得到，如图8所示。 图7 三维复合材料层压板模型 图8 花生壳状分层 Fig.7 Three dimensional composite laminates model Fig.8 Peanut shape delamination 在复合材料材料层压板螺栓连接孔边挤压破坏的研究中，基于预先划分网格的平面部件，运行程序得到层压板模型，并将其与金属钉模型进行装配得到钉连接模型，如图9(a)所示。在复合材料层压板的双搭接修补模型拉伸强度分析中，运行程序得到母片与补片的层压板模 形，并在母片的修补区域通过偏置生成胶层模型，然后进行双搭接的装配并利用Merge命令合并重节点从而将结构转化为整体，模型如图9(b)所示。 (a) 图9 复合材料层压板螺栓连接与双搭接 Fig.9 Bolted Joint and double lap joint of composite laminates (b)结论 (1)构建程序流程，嵌入内部循环，加入交互界面，既保证了程序结构的简明易实现，又满足了参数输入和循环操作的要求。 (2)分析了对象模型的数据结构，并应用到单元与节点的搜索筛选，实现了基于网格信息的参数化建模过程，为基于网格信息的参数化操作提供了参考。(3)根据有限元分析要求，程序可建立多种形式的三维层压板模型,并可实现损伤建模，也可应用于基于层压板的多板结构的建模，适用范围广，建模效率高。参考文献： (a) [1]张小娟,张博平,张金奎 等.基于凹坑深度的复合材料低速冲击损伤分析[J].实验力学, 2010,25(3):234-238.[2]矫桂琼，贾普荣.复合材料力学[M].西安：西北工业大学出版社，2008.3.[3]贾建东，丁运亮，刘晓明.复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析[J].南京航空航天大学学报，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]顾亦磊，赵美英.复合材料层合板螺栓连接失效分析[J]航空计算技术，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]张丽,李亚智,张金奎.复合材料层合板在低速冲击作用下的损伤分析[J].科学技术与工程,2010,5(10):1170-1174.[8]滕锦，李斌太，庄茁.z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究[J].工程力学，2006,23(1)：209-216.[9]朱炜垚,许希武.复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟[J].复合材料学报,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 finite element study with realistic delamination shapes, multiple delaminations and fibre fracture cracks[J].Composites: Part A,2010,41:684-692.[12]王跃全,童明波,朱书华.复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析[J].复合材料学报,2011,28(3):197-202.[13]张彦.纤维增强复合材料层合结构冲击损伤预测研究[D].上海: 上海交通大学博士学位论文,2007.作者简介：伊鹏跃(1988-),男，山东泰安人，硕士。研究方向：飞行器结构强度。E-mail：yipengyue@sjtu.edu.cn 引言 随着3D打印技术和材料制备技术的高速发展，轻质多孔点阵材料作为近年来兴起的力学性能极为优异的新一代轻质高强多功能材料，广泛应用于组织工程学、航空航天、船舶制造等领域。相比传统材料，轻质多孔点阵材料最大不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率(大于7000)，因面具有轻质量、高强度、高效散热、能吸收电磁波，以及多功能可设计性等特有的优良性能。近年来，相关轻质点阵结构力学性能的研究受到了国内外专家的高度重视。Dede等介绍了一种设计单层或多层的周期性点阵结构技术，并对单层点阵结构进行了力学性能的计算分析。张钱城等根据各类轻质点阵材料的胞元结构分析其力学性能，并分析了强化轻质点阵结构力学性能的主要方法。陈立明等通过对轻质点阵夹层的力学性能研究，利用轻质点阵结构的均质化等效理论模型，建立了轻质点阵圆柱壳的强度模型以及刚度模型，最后与有限元分析结果进行了对比验证。Tekoglu等通过对多孔点阵材料在压缩、弯曲和剪切条件下的理论和仿真分析，研究了其单元尺寸变化对力学性能的影响关系。Fan等对轻质点阵结构力学性能提出了理论模型方法并对其进行了相应的试验研究。以上研究多为对胞元形式构成的点阵结构模型的力学性能的研究，面没有涉及对胞元结构参数化建模以及多种胞元结构构建试件的对比研究。 本文设计了基于长方体空间微结构衍生的胞元结构，并建立其数学模型以构建试件的参数化模型及分析系统。针对分别由边结构、顶点结构、面心结构、互连顶点结构以及内十字心结构构建的长方体试件，通过改变胞元尺寸及数量或胞元支柱截面半径，保证试件结构尺寸及质量不变，分析比较在拉压、弯曲、扭转情况下试件的力学性能，并通过动力学模态分析进行验证，提出了在各种载荷下点阵结构材料的设计方法。 1轻质点阵结构参数化建模 1.1胞元结构设计 轻质多孔点阵材料通过模拟分子点阵构型，并由节点和节点间连接杆件单元组成一种具有周期性的拓扑结构，不同的胞元结构构成的点阵材料会产生千差万别的力学性能。常见的三维点阵构型有编织叠层夹芯结构、三维全三角点阵结构、八面体结构、四面体和四棱锥点阵夹芯结构以及三维Kagome结构。本文所设计的胞元结构由长方体空间微结构衍变面来，根据六面体结构的特性，选取顶点、体心、面心以及棱边中点等关键点作为构建基本胞元结构的特征参数，设计了5种典型胞元结构。由12条圆柱棱边构成长方体，具备一般结构的特性;由长方体中心与8个顶点支柱相连构成，能够很好地将载荷传递到体心节点;面心结构，由长方体表面中心与相邻表面中心支柱相连构成，具备良好的载荷传递能力;为互连顶点结构，由长方体中心与8个顶点通过支柱相连且同侧顶点依次相连构成，其对顶点结构的端点进行了加强;为内十字面心结构，由长方体上下表面中心到侧面中心相连且相对表面中心互连构成，内十字结构具备良好的应对三向拉压能力。 1.2轻质点阵结构参数化建模系统 基于长方体空间的轻质点阵结构参数化建模流程主要概括为胞元结构的选择、胞元尺寸的参数设置、空间密度的计算插值、试件参数的设置、有限元分析以及实例学习。主要包括以下7个步骤: (1)根据六面体结构的特性，计算顶点、体心、面心及棱边中点等关键点作为构建基本胞元结构的特征参数并存储; (2)选择不同关键点并设定连线规则，得到不同的胞元结构并与胞元结构数据库进行匹配;(3)全部胞元结构与实例库进行匹配，当全部相同时，表明己存在相关数据，可直接输出实例数据; (4)比较不同胞元支柱总长，设定最短的为基本胞元结构，并设置其结构尺寸参数; (5)进行改变胞元尺寸或支柱截面半径两种方式下的空间密度二分法插值计算，并与基本胞元结构空间密度值比较; (6)设置基本胞元结构试件参数，得到各胞元结构试件参数数据及模型; (7)进行有限元分析，将设计实例及相关参数存储到数据库，为以后新胞元结构数据对比研究时进行相同匹配。 2点阵材料的力学性能研究 2.1弯曲载荷有限元分析.为通过改变胞元尺寸及数量构建的5种试件，分别施加弯曲载荷进行有限元分析求解试件的总变形云图。边结构受载胞元层发生整体变形较大，说明此种结构胞元抵抗弯曲能力差;顶点结构受载胞元层与第二层变形量相差较大，且靠近固定端变形量很小，说明此种胞元结构承受弯曲载荷能力很差，传递载荷能力较差。 5种点阵结构试件受到弯曲载荷时总变形、轴应力、最小组合应力以及最大组合应力相对于边结构的比值。 点阵结构试件受到弯曲载荷时:面心结构及内十字面心结构抗弯曲能力最强，互连顶点结构稍差于这两种结构，但面心结构在改变胞元截面半径情况下组合应力值较小，结合图6c可知试件高方向上胞元数量补半值产生了一定的影响;边结构抗弯曲能力一般;顶点结构的抗弯曲能力最差。在两种情况下，试件抗弯曲力学性能总体表现相似;由最小最大组合应力对比情况可知，弯曲载荷条件下，胞元支柱的轴向拉应力和压应力数值接近。 2.2扭转载荷有限元分析。 为通过改变胞元支柱截面半径构建荷时总变形、轴应力、最小组合应力及最大组合应力相对于边结构的比值。 5种点阵结构试件受到扭转载荷时:边结构总变形明显大于其他4种结构，但其弯曲应力较小;顶点结构具有较好的抵抗扭转变形的能力，但承受一定的弯曲应力;面心结构具有最强的抗扭转变形能力，但其具有较大的组合应力，说明其弯曲应力很大;互连顶点结构在改变胞元支柱截面半径情况下抗扭能力最强，其最小最大组合应力在改变胞元尺寸及数量情况下明显变差;内十字面心结构表现一般，其在改变胞元尺寸及数量情况下最小最大组合应力比在改变胞元支柱截面半径情况下好。同样，在两种情况下边结构、顶点结构和面心结构试件抗弯曲力学性能总体表现相似;由最小最大组合应力对比情况可知，扭转载荷条件下，胞元支柱的轴向拉应力和压应力数值接近。 2.3试件动力学模态分析 分别对5种点阵结构试件进行模态分析，求解其前6阶固有频率与对应的振型，分析结果得到1阶弯曲、1阶扭转的模态频率及对应总变形，并验证试件的抗弯、抗扭刚度。 当激励频率在1阶固有频率处驻留时，试件发生了1阶竖直弯曲变形。边结构与顶点结构对比可知，在频率相近时顶点结构的总变形明显偏大，说明顶点结构抵抗弯曲变形的刚度比边结构小;其他3种点阵结构频率为边结构3倍左右，总变形稍大于边结构，说明这3种试件具有明显的抵抗弯曲变形的刚度优点。在3阶固有频率处驻留时，试件发生了1阶扭转变形。其他4种点阵结构共振频率明显大于边结构，说明这4种结构具有较好的抗扭能力，互连顶点结构具有最优的抗扭刚度。 3结论 (1)在分别改变胞元尺寸及大小或胞元支柱截面半径两种情形下，试件的力学性能总体基本相似。 (2)边结构具有一定的抗拉/抗压能力，但其在抗弯和抗扭方面表现一般。 (3)顶点结构的综合力学性能表现最差，其抗扭能力稍强于抗拉/抗压和抗弯能力。 (4)面心结构的抗拉/抗压以及抗弯曲能力表现出色，但其抗扭能力表现较差，且需注意改变胞元尺寸及数量时试件高方向的补半会对力学性能有一定影响。 (5)互连顶点结构综合力学性能最优，抗拉/抗压、弯曲、扭转能力表现较为均衡，但其在改变胞元支柱截面半径情形下抗拉/抗压的组合应力稍大，且承受扭转载荷时在变支柱截面半径情况下表现较好。 (6)内十字面心结构总体力学性能较为优秀，但其抗扭转力学性能表现一般，在改变胞元尺寸及数量情况下力学性能稍好于在改变胞元支柱截面半径情形下。 喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟 穆传冰 王庆丰 章平李顺弟 （北京首钢国际工程技术有限公司 焦化设计室 北京 100043） 摘 要：介绍了利用三维参数化机械设计软件对喷淋式饱和器进行了参数化建模设计，与传统的二维设计相比做到了精确表达尺寸和,直观的反映其结构特点，利用关键参数控制模型尺寸，可以依据化工工艺专业的需要进行快速精准设计,并基于该三维模型的设计成果利用流体分析软件对喷淋式饱和器的内部流场进行了数值模拟并对其结果进行了讨论。关键词：喷淋式饱和器；三维参数化；设计；有限元；数值模拟 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 喷淋式饱和器是焦炉煤气净化过程中半直接法生产硫酸铵的主要设备，自上世纪90年代由法国引进后，得到了广泛的应用，其材质一般选用316L超低碳不锈钢焊接制造，对于母液循环喷洒部分一般采用904L超级不锈钢制作,具有设备使用时间长，煤气系统阻力小，结晶颗粒大，硫酸铵质量好，工艺流程短，易操作等诸多优点[1]。但是由于其结构较为复杂，采用传统二维图纸对其结构的表达不够清晰和直观。在设备制造过程中，其复杂零件尺寸控制的问题也一直困扰着设备制造单位。 随着计算机技术的发展，三维参数化机械设计软件逐渐得到了广泛的应用，利用简单的几何约束关系和关键参数驱动就能完成设备的三维设计，并快速给出工程图，省去了传统二维制图复杂的投影关系的转换和尺寸计算，特别适用于喷淋式饱和器这种形状特殊复杂的结构设计。本文以某煤气净化回收工程设计的喷淋式饱和器为例进行三维参数化设计，并对其内部流场进行了数值模拟和与探讨。喷淋式饱和器的结构 喷淋式饱和器一般分为上段和下段，上段为吸收室，下段为结晶室。两室间采用锥形封头隔开，吸收室又分为前室、环形区域和后室三部分，结晶室由外筒体和降液管组成，通过降液管与吸收室相连。在吸收室内置除酸器，除酸器为旋风分离器结构，由内外套筒两部分组成，外套筒开切线方向的方孔与吸收室的后室相连通[1]。喷淋式饱和器的结构如图1所示： (a）主视图 (b）左视图 (c）俯视图 图1 喷淋式饱和器的结构 由图1可以看出，使用二维工程图设计的喷淋式饱和器并不能清晰的表达其结构，二维工程图一般采用局部剖切视图等方法来分视图表达内部结构，但是往往效果不明显，过多的剖切视图会增加制造者按图施工的难度，特别是结晶室的后室与除酸器的外筒的连接部分更加难以清晰表达，对于设计单位和制造厂家而言都造成了困难，而且不能直观的表达出设备各部分准确位置关系。喷淋式饱和器的三维参数化设计 3.1 设计参数的确定 三维参数化设计软件进行喷淋式饱和器的设计，首先需要找出该设备的主要几何参数和设备各部分的几何约束关系，由于设备的复杂性导致参数过多，表1中只列出设备外形尺寸的关键参数： 表1 喷淋式饱和器外形尺寸关键参数 名称 煤气出口 结晶室 除酸器外筒体 除酸器内筒体 降液管 锥体 外径D 1220 4616 3116 1220 666 4616/666 壁厚t 8 8 8 8 8 8 长度L 250 2785 5335 3875 3875 1145 利用上述关键参数再结合各零部件之间几何约束关系和定位尺寸，使用拉伸和旋转等常规建模方式将设备的这几部分模型率先建立，饱和器结构最复杂的吸收室的后室与除酸器的外筒的连接部分是不规则曲面体，这部分的建模采用常规建模和三维曲面切割实体的方法得到，保证了后室的曲面与除酸器外筒体的相切，真实表达了该部分的结构。设备上的接管等零部件可以通过各自的几何参数和定位尺寸较为简单的生成，在建模过程中还要充分考虑各参数之间的关联关系，把握好参数间的关联才能真正做到参数化设计。 3.2 三维参数化设计的结果 经过上述步骤，可以得到如图2所示的三维参数化模型： 图2 喷淋式饱和器三维参数化模型 3.3 有关结果的讨论 从图2可以看出，利用三维设计软件的装配透视功能，设备内部的复杂结构可以得到清晰的表达，该模型可以通过参数的修改快速得到不同尺寸的模型结果，以满足化工工艺专业根据不同规模工程的设计选型的需求。和传统二维设计相比，设计精度更容易得到保证，基于该模型的工程图的尺寸和标注也可跟随参数的变化做相应的调整，省去了繁琐的尺寸修改和标注的过程，因此设计效率也得到了很大的提高。在设备制造过程中，可以将三维参数化模型中的各零部件分别输出快速给出工程图尺寸，作为设备零部件的下料尺寸，保证了制造精度。在设备零部件安装过程中，该模型可以进行爆炸分解，可以起到安装指导的作用。需要指出的是，该三维参数化模型未考虑零部件焊接尺寸的影响，为此在设计时留有尺寸裕量。在实际制造过程中需要制造单位依据相应的焊接标准规范等对焊接坡口尺寸进行设计和加工。喷淋式饱和器内部流场的数值模拟 4.1 工艺参数的确定 根据工艺计算结果和实际生产条件，确定了工艺参数见表2所示： 表2 喷淋式饱和器的工艺参数 名称 煤气入口速度 m/s 煤气出口压强 Pa 参考压强 Pa 煤气温度 ℃ 数值 15 2x101x105 焦炉煤气各组份的含量见表3所示： 表3 焦炉煤气的组成 名称 体积百分含量 % H2 60 CH4 30 其它（CO、CO2、O2等）4.2 内部流场模型的建立 为了准确进行内部流场数值模拟，首先要了解煤气在设备内的流动过程，煤气在的煤气进过预热后进入喷淋式饱和器的吸收段的前室，分成两股沿饱和器水平方向进入吸收段的环形室做环形运动，然后汇合后进入吸收段的后室，再以切线方向进入内置除酸器，然后通过设备中心出口管离开饱和器[2.3]。 由于饱和器内部有复杂的相交曲面结构，传统的专业有限元软件的建模功能难以胜任，为保证建模效果，本次模拟将利用三维设计软件的设计结果得到流场模型，导入有限元软件进行相应调整，进行划分网格，定义边界条件，得到的流场模型结果如图3所示： 图3 喷淋式饱和器内部流场有限元模型 需要指出的是，本模型只包含喷淋式饱和器的吸收段，主要模拟煤气在吸收段的流动情况，并做了以下几个简化和假设： 1.模型的下部边界是以喷淋式饱和器的水封高度为依据确定； 2.除煤气出入口以外，所有界面均为刚性光滑表面； 3.不考虑喷洒液体对煤气流动的影响； 4.省略了喷洒管、接管等附属结构； 5.焦炉煤气组分仅为H2和CH4组分； 模拟采用稳态模式（既不考虑时间对结果的影响），煤气入口采用速度初始条件，煤气出口采用平均压强初始条件，这样的设置更容易得到收敛的结果[4.5]。 4.3 数值模拟的计算结果 经过有限元软件计算得到了煤气在设备内的流体轨迹线、速度、压强等结果。为了直观的显示饱和器内部流畅的结果，选取了三个截面，分别是YZ截面，对应于X方向；XZ截面，对应于Y方向；XY平面在环形区域的平行截面，对应于Z方向，分别赋予流体轨迹、线速度、压强等结果，如图4~图6所示 1．流体轨迹线 X向轨迹线 Y向轨迹线 Z向轨迹线 图4 流体在喷淋式饱和器内部的轨迹线 由流体轨迹线的三向视图可以得到焦炉煤气在喷淋式饱和器吸收段的流动情况，首先在环形室分成两股流，在后室汇合后以切线方向进入内置除酸器，沿外筒壁面向下做旋转运动，最后进入内置除酸器内筒以螺旋流动的方式从顶部出口流出； 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 图5 流体在喷淋式饱和器截面的速度分布 由速度分布图X、Y向视图可知，流体在环形室中的流动速度较慢，这样更利于煤气与循环喷洒液的充分接触，以利于氨的吸收，在煤气进入除酸器后流速明显加快，最大流速出现在除酸器内筒入口处，而在除酸器外筒底部中心部位流速很慢甚至出现速度为零的区域，在从Z向图中可以看出煤气在环形室的流动并不呈现对称分布的形态； 3．压强分布 X向截面压强分布 Y向截面压强分布 Z向截面压强分布 图6 流体在喷淋式饱和器截面的压强分布 由压强分布图可以看知，在煤气入口、环形室、除酸器外筒体近壁面处压强较大，环形室部分压强分布较为均匀。除酸器内部压强沿径向梯度分布，外筒边缘压强最大，最小压强出现在除酸器内筒进口部位； 结论 喷淋式饱和器自上世纪90年代从国外引进以来，已经经历了近20年发展，其设计和制造经验已经相当丰富，但是利用三维参数化设计手段精准设计和焦炉煤气在其内部流动状态的研究模拟还存在着不足。 随着计算机技术的发展，三维参数化设计和计算流体力学等设计手段和研究方法不断的进步可以推动对其研究的不断深入。通过三维参数化设计手段的运用可以更直观的了解喷淋式饱和器的结构特点，可以通过改变关键参数来快速得到三维模型结果，了解各个参数的变化对模型外形尺寸的影响规律；利用流体计算软件可以得到煤气在设备内部的流动状态，掌握煤气的流动规律，为设备结构的改进提供理论依据。 由于篇幅所限，本文的喷淋式饱和器内部流场的模拟只是对于吸收段进行的，得到了初步的计算结果并进行了讨论。但对于并未考虑喷洒液体对气体流动的影响，对计算结果还缺乏深入探讨，今后，还将在其基础之上不断改进，如采用两相流计算模型，优化除酸器结构等，在模型应用的普遍性、快捷性方面取得更好的结果。 参 考 文 献 [1] 何建平，李辉.炼焦化学产品回收技术[M].冶金工业出版社, 2006：68-69 [2] 丁玲.喷淋式饱和器法煤气脱氨生产中问题分析[J].冶金动力, 2009, 134(4): 37-42 [3] 杨永利，张管，陈涛.煤气中氨脱除喷淋式饱和器的改进[J].煤化工, 2009, 144(5): 49-52 [4] 张亚军.CFD技术在化工机械设计中的应用[J].贵州化工, 2006, 31(3): 47-50 [5] 封跃鹏，姜大志.旋风分离器在结构上的改进[J].燃料与化工, 2009, 40(2): 9-11 作者简介：穆传冰（1982—）男，辽宁省大连市人，工程师，硕士研究生，目前从事化工设备设计工作。第二篇：轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究分析论文
第三篇：喷淋式饱和器的三维参数化设计及其内部流场模拟(ljdh)
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