全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定

何志偉

【摘 要】 利用美國(guó)ANSYS股份有限公司研發(fā)的一種基于大型通用有限元分析的ANSYS軟件，融合了耦合場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲體、流體等技術(shù)。通過(guò)構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元模型，并根據(jù)有限元模型相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入分析與研究，最后根據(jù)計(jì)算后的應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力進(jìn)行全面的評(píng)定，進(jìn)而有效促進(jìn)全焊接板式換熱器管側(cè)集箱的改進(jìn)，提高全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性能。本文主要針對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】 ANSYS軟件 有限元模型 全焊接板式換熱器 應(yīng)力分析

全焊接板式換熱器是由一種特殊的不銹鋼材料，以特定的模具壓制而成，具有高效的傳熱性能、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝便捷、質(zhì)量輕、使用靈活、密封性良好、占地面積小以及對(duì)環(huán)境污染程度小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域、原油領(lǐng)域、天然氣凈化處理、化工產(chǎn)品、石油領(lǐng)域、冶金領(lǐng)域、熱電廠、食品領(lǐng)域等。在全焊接板式換熱器當(dāng)中普遍存在鋼板對(duì)接焊縫易燒穿無(wú)法成型的問(wèn)題，因此，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)分析

全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱主要是由以及幾部分構(gòu)成：加強(qiáng)圈、前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板構(gòu)成的一個(gè)表面為矩形的容器。此外，在全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱的外面，又焊有一層加強(qiáng)圈，起到保護(hù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與力學(xué)模型

根據(jù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)要求，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS，通過(guò)前處理器PREP7命令，構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元分析模型，并通過(guò)Shell63彈性殼單元描述，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析全面分析[3]。

2.1 前后管則端板與上下連接板搭接的力學(xué)模型

在構(gòu)建的有限元模型中，根據(jù)全焊接換熱器管側(cè)集合箱的結(jié)構(gòu)性能與載荷性能，取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析。

2.2 分析約束條件

由于只取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析，因此，在有限元模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即對(duì)上下連接板與其他部分連接的部位均施加固定約束，前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板也是如此[4]。

2.3 有限單元的選擇

有限單元的選擇主要分為三個(gè)部分，一是定義單元類型的選擇，應(yīng)選擇具有較大變形能力與應(yīng)力強(qiáng)度，包括自由度X、Y、Z方向與繞X、Y、Z軸方向，全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)有限單元的選擇主要采用Shell63彈性殼單元；二是材料屬性的定義，包括材料的溫度為80攝氏度、壓強(qiáng)為0.22兆帕斯卡、材料彈性模量值為190G Pa、加強(qiáng)圈彈性模量值為200G Pa、泊松比為0.29；三是網(wǎng)格劃分方法選擇自由的方式。

3 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定

通過(guò)對(duì)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以看出，通常情況下，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板上，并且最大應(yīng)力數(shù)值高達(dá)165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析可以得出，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板的中間部分，這與全焊接板式換熱器設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力數(shù)值和最大值位置部分是一致的，同時(shí)也證明了構(gòu)建的該有限元模型與全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱實(shí)際最大應(yīng)力數(shù)值是符合的。除此之外，還可以有效分析出全焊接板式換熱器管側(cè)側(cè)端板的危險(xiǎn)部分，也就是管側(cè)集合箱最大應(yīng)力出現(xiàn)處，即矩形表面最長(zhǎng)邊的中心點(diǎn)。這充分說(shuō)明了構(gòu)建有限元模型是正確、有效、可行的。

此外，根據(jù)國(guó)家2005年對(duì)機(jī)械、汽車、壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的修改，加強(qiáng)的了壓力容器行業(yè)的校對(duì)與審核標(biāo)準(zhǔn)。而根據(jù)表2全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力的最大值及位置可以看出，全焊接板式換熱器強(qiáng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，其結(jié)構(gòu)是安全、可行的[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS軟件，對(duì)全焊接式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析，進(jìn)而綜全評(píng)定全焊接板式換熱器應(yīng)力，一方面有利于全焊接板式換熱器的進(jìn)一步改善；另一方面，有利于全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性與可操作性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳滿儒，孫文迪，劉海林等.基于ANSYS的全焊接板式換熱器的應(yīng)力分析與研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉紅，馬東方，李曉麗等.基于ANSYS的固定管板式換熱器的熱應(yīng)力分析及評(píng)定研究[J]石油化工腐蝕與防護(hù)研究（理論版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陳德林，丁雪興等.焊接板式換熱器連接板熱應(yīng)力有限元分析研究[J].大連科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，32（04）：163-164.

[4]王維慧，胡光忠，朱躍峰等.基于COMOSWORKS軟件的固定管板式換熱器應(yīng)力分析方法研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陳文超，張鎖龍，劉天豐等.基于COMOSWORKS固定管板式換熱器熱應(yīng)力分析方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，26（08）：142-145.endprint

【摘 要】 利用美國(guó)ANSYS股份有限公司研發(fā)的一種基于大型通用有限元分析的ANSYS軟件，融合了耦合場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲體、流體等技術(shù)。通過(guò)構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元模型，并根據(jù)有限元模型相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入分析與研究，最后根據(jù)計(jì)算后的應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力進(jìn)行全面的評(píng)定，進(jìn)而有效促進(jìn)全焊接板式換熱器管側(cè)集箱的改進(jìn)，提高全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性能。本文主要針對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】 ANSYS軟件 有限元模型 全焊接板式換熱器 應(yīng)力分析

全焊接板式換熱器是由一種特殊的不銹鋼材料，以特定的模具壓制而成，具有高效的傳熱性能、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝便捷、質(zhì)量輕、使用靈活、密封性良好、占地面積小以及對(duì)環(huán)境污染程度小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域、原油領(lǐng)域、天然氣凈化處理、化工產(chǎn)品、石油領(lǐng)域、冶金領(lǐng)域、熱電廠、食品領(lǐng)域等。在全焊接板式換熱器當(dāng)中普遍存在鋼板對(duì)接焊縫易燒穿無(wú)法成型的問(wèn)題，因此，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)分析

全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱主要是由以及幾部分構(gòu)成：加強(qiáng)圈、前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板構(gòu)成的一個(gè)表面為矩形的容器。此外，在全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱的外面，又焊有一層加強(qiáng)圈，起到保護(hù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與力學(xué)模型

根據(jù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)要求，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS，通過(guò)前處理器PREP7命令，構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元分析模型，并通過(guò)Shell63彈性殼單元描述，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析全面分析[3]。

2.1 前后管則端板與上下連接板搭接的力學(xué)模型

在構(gòu)建的有限元模型中，根據(jù)全焊接換熱器管側(cè)集合箱的結(jié)構(gòu)性能與載荷性能，取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析。

2.2 分析約束條件

由于只取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析，因此，在有限元模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即對(duì)上下連接板與其他部分連接的部位均施加固定約束，前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板也是如此[4]。

2.3 有限單元的選擇

有限單元的選擇主要分為三個(gè)部分，一是定義單元類型的選擇，應(yīng)選擇具有較大變形能力與應(yīng)力強(qiáng)度，包括自由度X、Y、Z方向與繞X、Y、Z軸方向，全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)有限單元的選擇主要采用Shell63彈性殼單元；二是材料屬性的定義，包括材料的溫度為80攝氏度、壓強(qiáng)為0.22兆帕斯卡、材料彈性模量值為190G Pa、加強(qiáng)圈彈性模量值為200G Pa、泊松比為0.29；三是網(wǎng)格劃分方法選擇自由的方式。

3 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定

通過(guò)對(duì)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以看出，通常情況下，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板上，并且最大應(yīng)力數(shù)值高達(dá)165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析可以得出，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板的中間部分，這與全焊接板式換熱器設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力數(shù)值和最大值位置部分是一致的，同時(shí)也證明了構(gòu)建的該有限元模型與全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱實(shí)際最大應(yīng)力數(shù)值是符合的。除此之外，還可以有效分析出全焊接板式換熱器管側(cè)側(cè)端板的危險(xiǎn)部分，也就是管側(cè)集合箱最大應(yīng)力出現(xiàn)處，即矩形表面最長(zhǎng)邊的中心點(diǎn)。這充分說(shuō)明了構(gòu)建有限元模型是正確、有效、可行的。

此外，根據(jù)國(guó)家2005年對(duì)機(jī)械、汽車、壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的修改，加強(qiáng)的了壓力容器行業(yè)的校對(duì)與審核標(biāo)準(zhǔn)。而根據(jù)表2全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力的最大值及位置可以看出，全焊接板式換熱器強(qiáng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，其結(jié)構(gòu)是安全、可行的[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS軟件，對(duì)全焊接式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析，進(jìn)而綜全評(píng)定全焊接板式換熱器應(yīng)力，一方面有利于全焊接板式換熱器的進(jìn)一步改善；另一方面，有利于全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性與可操作性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳滿儒，孫文迪，劉海林等.基于ANSYS的全焊接板式換熱器的應(yīng)力分析與研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉紅，馬東方，李曉麗等.基于ANSYS的固定管板式換熱器的熱應(yīng)力分析及評(píng)定研究[J]石油化工腐蝕與防護(hù)研究（理論版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陳德林，丁雪興等.焊接板式換熱器連接板熱應(yīng)力有限元分析研究[J].大連科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，32（04）：163-164.

[4]王維慧，胡光忠，朱躍峰等.基于COMOSWORKS軟件的固定管板式換熱器應(yīng)力分析方法研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陳文超，張鎖龍，劉天豐等.基于COMOSWORKS固定管板式換熱器熱應(yīng)力分析方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，26（08）：142-145.endprint

【摘 要】 利用美國(guó)ANSYS股份有限公司研發(fā)的一種基于大型通用有限元分析的ANSYS軟件，融合了耦合場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲體、流體等技術(shù)。通過(guò)構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元模型，并根據(jù)有限元模型相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深入分析與研究，最后根據(jù)計(jì)算后的應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力進(jìn)行全面的評(píng)定，進(jìn)而有效促進(jìn)全焊接板式換熱器管側(cè)集箱的改進(jìn)，提高全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性能。本文主要針對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】 ANSYS軟件 有限元模型 全焊接板式換熱器 應(yīng)力分析

全焊接板式換熱器是由一種特殊的不銹鋼材料，以特定的模具壓制而成，具有高效的傳熱性能、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝便捷、質(zhì)量輕、使用靈活、密封性良好、占地面積小以及對(duì)環(huán)境污染程度小等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域、原油領(lǐng)域、天然氣凈化處理、化工產(chǎn)品、石油領(lǐng)域、冶金領(lǐng)域、熱電廠、食品領(lǐng)域等。在全焊接板式換熱器當(dāng)中普遍存在鋼板對(duì)接焊縫易燒穿無(wú)法成型的問(wèn)題，因此，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分析及評(píng)定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)分析

全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱主要是由以及幾部分構(gòu)成：加強(qiáng)圈、前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板構(gòu)成的一個(gè)表面為矩形的容器。此外，在全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱的外面，又焊有一層加強(qiáng)圈，起到保護(hù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與力學(xué)模型

根據(jù)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)特征與設(shè)計(jì)要求，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS，通過(guò)前處理器PREP7命令，構(gòu)建全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱有限元分析模型，并通過(guò)Shell63彈性殼單元描述，對(duì)全焊接板式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析全面分析[3]。

2.1 前后管則端板與上下連接板搭接的力學(xué)模型

在構(gòu)建的有限元模型中，根據(jù)全焊接換熱器管側(cè)集合箱的結(jié)構(gòu)性能與載荷性能，取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析。

2.2 分析約束條件

由于只取四分之一的全焊接換熱器管側(cè)集合箱進(jìn)行分析，因此，在有限元模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，即對(duì)上下連接板與其他部分連接的部位均施加固定約束，前管側(cè)端板、后管側(cè)端板、上連接板、下連接板、上管側(cè)端板、下管側(cè)端板也是如此[4]。

2.3 有限單元的選擇

有限單元的選擇主要分為三個(gè)部分，一是定義單元類型的選擇，應(yīng)選擇具有較大變形能力與應(yīng)力強(qiáng)度，包括自由度X、Y、Z方向與繞X、Y、Z軸方向，全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)有限單元的選擇主要采用Shell63彈性殼單元；二是材料屬性的定義，包括材料的溫度為80攝氏度、壓強(qiáng)為0.22兆帕斯卡、材料彈性模量值為190G Pa、加強(qiáng)圈彈性模量值為200G Pa、泊松比為0.29；三是網(wǎng)格劃分方法選擇自由的方式。

3 全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定

通過(guò)對(duì)全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力實(shí)驗(yàn)可以看出，通常情況下，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板上，并且最大應(yīng)力數(shù)值高達(dá)165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析可以得出，全焊接板式換熱器最大應(yīng)力出現(xiàn)在管側(cè)集合箱上下管側(cè)端板的中間部分，這與全焊接板式換熱器設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力數(shù)值和最大值位置部分是一致的，同時(shí)也證明了構(gòu)建的該有限元模型與全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱實(shí)際最大應(yīng)力數(shù)值是符合的。除此之外，還可以有效分析出全焊接板式換熱器管側(cè)側(cè)端板的危險(xiǎn)部分，也就是管側(cè)集合箱最大應(yīng)力出現(xiàn)處，即矩形表面最長(zhǎng)邊的中心點(diǎn)。這充分說(shuō)明了構(gòu)建有限元模型是正確、有效、可行的。

此外，根據(jù)國(guó)家2005年對(duì)機(jī)械、汽車、壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的修改，加強(qiáng)的了壓力容器行業(yè)的校對(duì)與審核標(biāo)準(zhǔn)。而根據(jù)表2全焊接板式換熱器管側(cè)集合箱應(yīng)力的最大值及位置可以看出，全焊接板式換熱器強(qiáng)度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，其結(jié)構(gòu)是安全、可行的[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS軟件，對(duì)全焊接式換熱器應(yīng)力分布情況與數(shù)值大小進(jìn)行分析，進(jìn)而綜全評(píng)定全焊接板式換熱器應(yīng)力，一方面有利于全焊接板式換熱器的進(jìn)一步改善；另一方面，有利于全焊接板式換熱器的實(shí)際應(yīng)用性與可操作性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳滿儒，孫文迪，劉海林等.基于ANSYS的全焊接板式換熱器的應(yīng)力分析與研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉紅，馬東方，李曉麗等.基于ANSYS的固定管板式換熱器的熱應(yīng)力分析及評(píng)定研究[J]石油化工腐蝕與防護(hù)研究（理論版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陳德林，丁雪興等.焊接板式換熱器連接板熱應(yīng)力有限元分析研究[J].大連科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，32（04）：163-164.

[4]王維慧，胡光忠，朱躍峰等.基于COMOSWORKS軟件的固定管板式換熱器應(yīng)力分析方法研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陳文超，張鎖龍，劉天豐等.基于COMOSWORKS固定管板式換熱器熱應(yīng)力分析方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2009，26（08）：142-145.endprint