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摘 要： 针对保温管道在工作条件下卡扣处存在着大量热应力的问题，本文选取了市场上通用的带卡扣PVC塑料保温管道为研究对象进行了有限元分析。本文以热水通过后，对研究对象进行了热—结构耦合分析来确定保温管道结构具有的热稳定效果，并以保温管道的厚度为设计参数来尽可能降低保温管道在卡口处的最大热应力。研究结果显示，在不影响保温管道正常工作条件下，通过适当增加保温管道的厚度可以有效的降低保温管道卡扣处的最大热应力，当保温管道的厚度为7mm时，其最大热应力最小，减低幅度为原来的14.7%。
关键词： ANSYS；保温管道；管道厚度，优化设计
Abstract：Aiming at the problem that there is a lot of thermal stress in the snap-fitting of insulation pipe under the working conditions， this article selected the general purpose PVC insulated pipe with snap-fitting on the market for the finite element analysis. After passing through the hot water， this article conducted a thermal-structure coupling analysis of the research object to determine the thermal stability of the insulation pipe structure， and to minimize the maximum temperature of the insulation pipe at the bayonet by using the thickness design parameters of the insulation pipe. Thermal Stress. The results show that the maximum thermal stress at the snap-in of the insulation pipe can be effectively reduced by appropriately increasing the thickness of the insulation pipe without affecting the normal working conditions of the insulation pipe. When the thickness of the insulation pipe is 105 cm， the maximum heat is obtained. The stress is minimal， reducing the original 40%.
Keyword： ANSYS workbench；Insulation pipe；pipe thickness， optimal design
【中图分类号】 T U318 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0218-02
0前言
首先，由于PVC塑料材料具有良好热疲劳性，因此保温管道一般多采用塑料PVC为制作材料[1]。在正常的工作条件下，保温管道搭建过程中往往采用卡扣进行固定，从而减少管道在工作过程中出现折口，变形等问题。在市场上，大多数公司生产的保温管道在投入市场之后，便出现保温管道卡扣处存在着大量热应力的现象，从而造成了在卡扣处存在着很大的热变形，这是往往是由于保温管道参数选取不当有关[2]。为了减小在保温管道在工作过程中的最大热应力，本文主要通过将保温层厚度设为参数来进行优化分析，为研究保温管道的研发提供了一定的参考。
1.带卡扣保温管道模型的分析
1.1带卡扣管道模型分析及其模型简化。
在保温管道卡扣的厚度选取過程中，设计工作者在60mm口径的圆形管路一般选取其厚度为5mm[3-5]，由于其保温管道的厚度选取不恰当，容易使得保温管道卡扣处有大量热应力，使得保温管体变形。针对上述的问题，在保持保温管道正常工作的情况下，以保温管道厚度为参数进行优化分析，使得在保温管道的最大热应力下降。
为了减少建模、划分网格的工作量及有限元的计算量等因素[6]，将带卡扣保温管道的模型导角等无关因素进行了简化。
带卡扣保温管道简化模型利用ANSYS进行网格划分，可将模型划分为3349个单元，11725个节点，其保温管道简化模型和保温管道的有限元模型如图1所示。
保温管道主要是PVC塑料的材料，其导热系数为，在保温管道外侧一般为保温套，为了保持模拟效果，可将管道的对外换热系数设为，通过实验液体的温度为50℃，并放置于外界环境温度为25℃进行模拟实验。
通过网格的划分、施加载荷过程，对保温管道模型进行有限元分析，可以得到保温桶温度梯度云图和热应力图，如图3，4所示。
2保温管道结构的优化设计
2.1保温管道的实验研究。
由图2可得，通过保温管道温度云图和保温管道应力分布图，说明了该保温桶的保温层在卡扣处有较大的热应力。在本文中，保温桶的优化分析过程中，通过改变保温管道的厚度，对其前后最大热应力变化，如表1所示。其中，保温管道厚度用D表示，其最大热应力用M表示。
2.2 实验结果分析。
根据表1，以保温管道的厚度D为横坐标，以该保温管道最大热应力M为纵坐标，建立图5所示坐标系，并对对应的点进行了曲线拟合获得如图5所示的曲线。
由图5明显可知，保温管道的最大热应力总体上随着管道厚度的增加而减少，当保温管道在[3，7]mm时，保温管道中的最大热应力锐减，在[7，9]mm时，随着保温管道厚度的增加，卡扣处的最大热应力有明显的上升趋势，[9，12]mm虽然也出现了最优点的候选点，但由于保温管道过于厚重，不利于材料的节省。在实际工程应用中，保温管道的厚度一般选取为5mm，由图5可知，当保温管道的厚度为5mm时，保温管道在卡扣处的最大热应力为96.8MPa，明显不是最优的结果，而当保温管道选择7mm时为该结构的最优点，根据公式可计算出优化幅度：
其中， 为优化幅度；，为优化前最大热应力（MPa）；，为优化后的最大热应力（MPa）。
根据图5和优化幅度的计算公式完成前后优化的对比，如表2所示。
3结论
针对降低保温管道卡扣处的最大热应力问题，将厚度设置为参数变量，通过改变保温管道厚度，得到保管道层厚度与其最大热应力的函数关系曲线，从而推导出最优的保温管道厚度为7mm。通过对保温管道整体的结构的优化，使得保温管道的最大热应力下降了14.6%。研究结果表明，在基本结构和质量不变的前提下，通过适当增加保温层的厚度，可以明显的降低保温管道在卡扣处的热应力，为其他保温设备管道的优化设计提供参考。
参考文献
[1] 马静敏，范云霄.基于ANSYS workbench的太阳能热水器支架优化设计[J].轻工机械.2011，4：97-101. 陈莎莎，呼格吉乐.
[2] 智能保温饭盒的设计与研究[J].无线互联科技.2014，11：94.
[3] 蒲广益.ANYSYS workbench基础教程与实例详解[M]北京：中国水利水电出版社，2013.
[4] 李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5] 严升明.机械优化设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[6] 李瑞，芮延年，尹纪财. 基于ANSYS-APDL的真空氮炉体结构的优化设计[J].机械设计与制造.2011，9：43
关键词： ANSYS；保温管道；管道厚度，优化设计
Abstract：Aiming at the problem that there is a lot of thermal stress in the snap-fitting of insulation pipe under the working conditions， this article selected the general purpose PVC insulated pipe with snap-fitting on the market for the finite element analysis. After passing through the hot water， this article conducted a thermal-structure coupling analysis of the research object to determine the thermal stability of the insulation pipe structure， and to minimize the maximum temperature of the insulation pipe at the bayonet by using the thickness design parameters of the insulation pipe. Thermal Stress. The results show that the maximum thermal stress at the snap-in of the insulation pipe can be effectively reduced by appropriately increasing the thickness of the insulation pipe without affecting the normal working conditions of the insulation pipe. When the thickness of the insulation pipe is 105 cm， the maximum heat is obtained. The stress is minimal， reducing the original 40%.
Keyword： ANSYS workbench；Insulation pipe；pipe thickness， optimal design
【中图分类号】 T U318 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0218-02
0前言
首先，由于PVC塑料材料具有良好热疲劳性，因此保温管道一般多采用塑料PVC为制作材料[1]。在正常的工作条件下，保温管道搭建过程中往往采用卡扣进行固定，从而减少管道在工作过程中出现折口，变形等问题。在市场上，大多数公司生产的保温管道在投入市场之后，便出现保温管道卡扣处存在着大量热应力的现象，从而造成了在卡扣处存在着很大的热变形，这是往往是由于保温管道参数选取不当有关[2]。为了减小在保温管道在工作过程中的最大热应力，本文主要通过将保温层厚度设为参数来进行优化分析，为研究保温管道的研发提供了一定的参考。
1.带卡扣保温管道模型的分析
1.1带卡扣管道模型分析及其模型简化。
在保温管道卡扣的厚度选取過程中，设计工作者在60mm口径的圆形管路一般选取其厚度为5mm[3-5]，由于其保温管道的厚度选取不恰当，容易使得保温管道卡扣处有大量热应力，使得保温管体变形。针对上述的问题，在保持保温管道正常工作的情况下，以保温管道厚度为参数进行优化分析，使得在保温管道的最大热应力下降。
为了减少建模、划分网格的工作量及有限元的计算量等因素[6]，将带卡扣保温管道的模型导角等无关因素进行了简化。
带卡扣保温管道简化模型利用ANSYS进行网格划分，可将模型划分为3349个单元，11725个节点，其保温管道简化模型和保温管道的有限元模型如图1所示。
保温管道主要是PVC塑料的材料，其导热系数为，在保温管道外侧一般为保温套，为了保持模拟效果，可将管道的对外换热系数设为，通过实验液体的温度为50℃，并放置于外界环境温度为25℃进行模拟实验。
通过网格的划分、施加载荷过程，对保温管道模型进行有限元分析，可以得到保温桶温度梯度云图和热应力图，如图3，4所示。
2保温管道结构的优化设计
2.1保温管道的实验研究。
由图2可得，通过保温管道温度云图和保温管道应力分布图，说明了该保温桶的保温层在卡扣处有较大的热应力。在本文中，保温桶的优化分析过程中，通过改变保温管道的厚度，对其前后最大热应力变化，如表1所示。其中，保温管道厚度用D表示，其最大热应力用M表示。
2.2 实验结果分析。
根据表1，以保温管道的厚度D为横坐标，以该保温管道最大热应力M为纵坐标，建立图5所示坐标系，并对对应的点进行了曲线拟合获得如图5所示的曲线。
由图5明显可知，保温管道的最大热应力总体上随着管道厚度的增加而减少，当保温管道在[3，7]mm时，保温管道中的最大热应力锐减，在[7，9]mm时，随着保温管道厚度的增加，卡扣处的最大热应力有明显的上升趋势，[9，12]mm虽然也出现了最优点的候选点，但由于保温管道过于厚重，不利于材料的节省。在实际工程应用中，保温管道的厚度一般选取为5mm，由图5可知，当保温管道的厚度为5mm时，保温管道在卡扣处的最大热应力为96.8MPa，明显不是最优的结果，而当保温管道选择7mm时为该结构的最优点，根据公式可计算出优化幅度：
其中， 为优化幅度；，为优化前最大热应力（MPa）；，为优化后的最大热应力（MPa）。
根据图5和优化幅度的计算公式完成前后优化的对比，如表2所示。
3结论
针对降低保温管道卡扣处的最大热应力问题，将厚度设置为参数变量，通过改变保温管道厚度，得到保管道层厚度与其最大热应力的函数关系曲线，从而推导出最优的保温管道厚度为7mm。通过对保温管道整体的结构的优化，使得保温管道的最大热应力下降了14.6%。研究结果表明，在基本结构和质量不变的前提下，通过适当增加保温层的厚度，可以明显的降低保温管道在卡扣处的热应力，为其他保温设备管道的优化设计提供参考。
参考文献
[1] 马静敏，范云霄.基于ANSYS workbench的太阳能热水器支架优化设计[J].轻工机械.2011，4：97-101. 陈莎莎，呼格吉乐.
[2] 智能保温饭盒的设计与研究[J].无线互联科技.2014，11：94.
[3] 蒲广益.ANYSYS workbench基础教程与实例详解[M]北京：中国水利水电出版社，2013.
[4] 李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5] 严升明.机械优化设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[6] 李瑞，芮延年，尹纪财. 基于ANSYS-APDL的真空氮炉体结构的优化设计[J].机械设计与制造.2011，9：43