ANSYS 軟件對(duì)板式換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

李安軍，宮 兵，王寶林，李 建，劉雅雯，陳曉慶

（1. 甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 海軍駐重慶艦船動(dòng)力軍事代表室，重慶 402260； 3. 金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737104）

框架結(jié)構(gòu)是板式換熱器的重要組成部分，板體、橫梁及螺桿的強(qiáng)度直接影響換熱器的工作范圍和使用壽命。壓緊板的厚度、橫梁的結(jié)構(gòu)、夾緊螺栓等部件的設(shè)計(jì)計(jì)算是較為重要的環(huán)節(jié)[1]，要進(jìn)行理論計(jì)算或數(shù)值計(jì)算以確定所選結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否達(dá)到要求。下面就應(yīng)用Ansys 軟件以一臺(tái)BR06 板式換熱器的框架結(jié)構(gòu)作為模型，對(duì)水壓試驗(yàn)時(shí)的受力情況進(jìn)行計(jì)算，得出整體結(jié)構(gòu)的變形及受力分布云圖。

Ansys 是大型的有限元分析軟件，在各個(gè)行業(yè)中廣泛應(yīng)用，它的基本功能是：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、傳熱分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析等。ANSYS 軟件越來越多的應(yīng)用到板式換熱器的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中，為板式換熱器的結(jié)構(gòu)開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[2]。

1 計(jì)算步驟

1.1 問題分析

板式換熱器框架的主要由固定板體、活動(dòng)板體、上下導(dǎo)桿、前置桿及夾緊螺桿組成，就是一臺(tái)完整的設(shè)備除板片和膠墊之外的部分。圖1 為這臺(tái)換熱器的CAD 模型。

圖1 板式換熱器模型Fig.1 The model of PHE

已知板體厚度60 mm，夾緊螺栓為M36，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa，液壓試驗(yàn)壓力1.3 MPa?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的材料均為碳素鋼，彈性模量E=2.06×1 011 Pa；泊松比為0.26。

整個(gè)問題屬于靜力學(xué)問題，用Ansys 的結(jié)構(gòu)受力分析模塊。對(duì)于一個(gè)線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析（Linear Static Analysis），位移{x}由下面的矩陣方程解出[3]：

[K]{x}={F}

其中：[K]—常量矩陣，是線彈性材料量，使用小變形理論，可以包含一些非線性邊界條件；

{F}—是靜態(tài)加在模型上的，不考慮隨時(shí)間變化的力，不包含慣性力的影響（質(zhì)量、阻尼），N。

1.2 建模及網(wǎng)格劃分

利用ANSYS 軟件的前處理程序（Preprocessor），經(jīng)過單元類型選擇、材料參數(shù)的確定、幾何建模等步驟，建立板式換熱器的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分時(shí)單元格尺寸缺省，網(wǎng)格質(zhì)量選擇中等。

1.3 施加約束與載荷

1.3.1 約束條件

施加約束是重要的計(jì)算步驟，這里定義固定板體下部底板為完全約束，前置桿底板為部分約束，就是在Y 方向可移動(dòng)，這與設(shè)計(jì)初衷是完全符合的。

1.3.2 加載

在換熱器液壓試驗(yàn)時(shí)，由于板片受到壓力作用，通過板片間的接觸點(diǎn)，最終壓力傳遞到板體上，板體上受到壓力的面積與板片受壓面積相同，壓力相同，所以板體受力部分的壓強(qiáng)也應(yīng)該等于試驗(yàn)壓強(qiáng)，這里為1.3 MPa，所以在三維模型中板體的受壓面上定義壓強(qiáng)載荷1.3 MPa。

1.4 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過前面的步驟后，進(jìn)行計(jì)算，最后得到計(jì)算結(jié)果，這里取整體形變值（Total Deformation）和等效應(yīng)力值（Equivalent Stress）。

ANSYS 軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理表達(dá)方式有很多種，有等值線圖，云圖，列表，動(dòng)畫等，這里用云圖表示變形或受力的大小。圖2 是各計(jì)算結(jié)果云圖。

圖2 計(jì)算結(jié)果云圖Fig.2 The cloud picture of computed results

1.5 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 Table of computed results

通過計(jì)算分析可以得出最大變形在活動(dòng)板體上，大小為1.241 9 mm，其大小與板體寬度的比值1.2419/720=0.0017﹤1/500=0.002，所以這個(gè)變形量是符合要求的；固定板體的最大受力114.09 MPa，活動(dòng)板體的最大受力138.71 MPa，拉桿的最大受力153.1 MPa，而板體材質(zhì)抗拉強(qiáng)度為345 MPa，拉桿的抗拉強(qiáng)度600 MPa，可見板體及拉桿所受力均在材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，所以說所選材質(zhì)及結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求[4,5]。

2 結(jié) 論

（1）在液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)活動(dòng)板體的變形量要大于固定板體；

（2）對(duì)于密封來說，最薄弱的位置是二道密封和靠近上梁處，對(duì)于板體的變形來說，板體的中部位置，距離螺桿越遠(yuǎn)處，變形量和等效應(yīng)力越大；

（3）在液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，中間部分的螺桿變形最大，受到的應(yīng)力也最大。

通過ANSYS 軟件計(jì)算分析，得到設(shè)備在壓力試驗(yàn)時(shí)的最大變形和最大應(yīng)力的位置，計(jì)算結(jié)果可作為可拆式板式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和變形分析的理論依據(jù)。

［1］ 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］ 鋶丁 峰. Ansys12.0 有限元分析完全手冊(cè)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2011-01.

［3］ 浦廣義.Ansysworkbench12 基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012-08.

［4］NB/T 47004-2009 板式熱交換器[S].

［5］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002-09.