基于ANSYS的翅片管式換熱器端板的應力分析

王 靜 邱金梁 王 婷 陳曉君

（沈陽鼓風機集團壓力容器有限公司)

基于ANSYS的翅片管式換熱器端板的應力分析

王 靜*邱金梁 王 婷 陳曉君

（沈陽鼓風機集團壓力容器有限公司)

應用ANSYS有限元分析軟件對翅片管式換熱器殼體端板進行應力分析，分析結(jié)果滿足使用要求，為保證設備的安全性提供了理論依據(jù)。

換熱器 翅片管式 端板 應力分析 ANSYS

0 前言

翅片管式換熱器[1]是一種新型高效換熱器，與一般管殼式換熱器相比，具有傳熱系數(shù)大、管壁溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等特點，在石油、化工、機械、輕工、食品等多種工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。其殼體設計一般采用規(guī)則設計，強度計算按照GB 150[2]進行。但由于其水箱與殼體連接結(jié)構(gòu)的復雜性，對其強度計算方面的研究尚少，計算時按GB 151中的近似結(jié)構(gòu)進行強度計算，設計者總是盡量增大厚度，以確保容器的承壓能力，結(jié)果得出的結(jié)構(gòu)強度比較保守，這就限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用。隨著分析設計[3-4]概念的提出，設計者越來越多地對壓力容器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。本文采用ANSYS有限元分析軟件，對翅片管式換熱器殼體的端板進行詳細的應力計算和分析，為保證設備的安全性提供了理論依據(jù)。通過分析可知，設計者不必盲目增大端板的厚度，在不降低設備安全性的前提下以容器的質(zhì)量最小為目標進行優(yōu)化設計，可使材料得到有效的利用。

1 端板應力分析

1.1 工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為一翅片管式換熱器，工作介質(zhì)為空氣，其水箱與殼體前端板采用螺栓連接，殼體與端板采用焊接連接。殼體端板的截面尺寸如圖2所示。殼體材料為Q345R，端板材料為16Mn鍛件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。設計壓力2.0 MPa，設計溫度200℃，彈性模量1.97×105MPa，泊松比0.3。殼體的許用應力159 GPa，端板的許用應力135 GPa。1.2 結(jié)構(gòu)分析和力學模型

針對該換熱器 （冷卻器）的具體結(jié)構(gòu)特點，我們?nèi)《税甯浇木植拷Y(jié)構(gòu)進行應力分析，并根據(jù)計算結(jié)果對峰值應力部位進行強度評定。

圖1 換熱器及端板附近局部結(jié)構(gòu)

圖2 殼體端板的截面尺寸

表1 換熱器端板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)換熱器 （冷卻器）的結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，采用三維空間力學模型，在有限元模型中考慮了腐蝕余量的影響，邊界條件和所用單元如下。

1.2.1 位移邊界條件

該局部結(jié)構(gòu)是從整個殼體上切下來的，將切面上的坐標系修改為柱坐標系，而約束其軸向和環(huán)向位移，從而控制結(jié)構(gòu)的剛體位移。

1.2.2 有限單元選擇

結(jié)構(gòu)采用ANSYS有限元軟件提供的8節(jié)點三維實體單元 (SOLID45)。

1.2.3 力邊界條件

筒體及端板承受內(nèi)壓p=2.0 MPa，水蓋因承受內(nèi)壓而通過螺栓施加到端板上的拉力在有限元模型中等效地施加到螺栓連接位置處。圖3所示為端板附近局部結(jié)構(gòu)的有限元模型，圖中箭頭所指示方向為螺栓連接位置處的受力方向。

1.3 強度評定

計算所得的應力分布圖如圖4所示。對于該整體結(jié)構(gòu)來說，最大應力位置在筒體處。在筒體最大應力位置沿厚度方向定義路徑 （如圖 5所示的PATH 1），并沿該路徑進行應力線性化，計算得到的筒體的薄膜應力SⅠ=54.6MPa，局部薄膜應力SⅡ=58.4 MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力SⅣ=59.5 MPa。然后按照JB 4732分析設計標準進行評定，評定結(jié)果為

圖3 端板附近局部結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4 端板應力分布

圖5 應力線性化路徑分布

評定結(jié)果合格，筒體滿足使用要求。

對于端板來說，最大應力位置在方孔的角點處。在該位置沿端板厚度方向定義路徑 （如圖5所示的PATH 2），沿該路徑進行應力線性化，計算得到的端板的薄膜應力SI=4.5 MPa，局部薄膜應力SⅡ=5 MPa，薄膜應力+彎曲應力+二次應力SⅣ=22.9 MPa。然后按照JB 4732分析設計標準進行評定，評定結(jié)果合格，端板滿足使用要求。

2 結(jié)論

本文對翅片管式換熱器殼體端板進行了應力分析，并根據(jù)相關(guān)的分析設計標準進行了評定。結(jié)果表明，該換熱器端板的結(jié)構(gòu)設計滿足強度要求。采用有限元分析，能在較短時間內(nèi)對建立的分析模型進行實時仿真過程，為減少材料浪費提供了有效的方法。合理運用計算機仿真軟件，對于壓力容器類產(chǎn)品的優(yōu)化設計、制造和應用具有極其重要的現(xiàn)實意義。

[1]趙淑芝.換熱器技術(shù)新進展[J].石油化工動態(tài)，1996（4）：30-37.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 150.1～150.4—2011.壓力容器 [S].北京：中國標準出版社，2011.

[3]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設備設計 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2001.

[4]全國壓力容器標準化技術(shù)委員會.JB 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設計標準 [S].北京：中國標準出版社，1995.

Stress Analysis of Fin-tube Heat Exchanger End Plate Based on ANSYS

Wang Jing Qiu Jinliang Wang Ting Chen Xiaojun

The finite element analysis software ANSYS was applied in stress analysis of fin-tube heat exchanger end plate，the analysis results satisfied the operating requirements，which provided a theoretical basis to ensure the security of the equipment.

Heatexchanger；Fin-tube；End plate；Stress analysis；ANSYS

TQ 050.2

2012-12-11）

*王靜，女，1981年生，工程師。沈陽市，110869。