制冷壓力容器特殊形狀零件設(shè)計(jì)方法探討

張樹光

摘要：針對制冷壓力容器特殊形狀零件的設(shè)計(jì)，常規(guī)設(shè)計(jì)方法往往無法解決，通過有限元分析方法或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)2種設(shè)計(jì)方法的有效結(jié)合，可以方便高效的完成特殊形狀零件的設(shè)計(jì)，給出了具體結(jié)合應(yīng)用的方法。算例表明：2種設(shè)計(jì)方法的結(jié)合，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。對從事制冷壓力容器行業(yè)的設(shè)計(jì)人員，具有一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：制冷壓力容器；驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；特殊形狀零件；有限元分析

中圖分類號TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0211-02

制冷壓力容器領(lǐng)域的管殼式換熱器，屬于壓力容器范疇，其安全性能至關(guān)重要，有著專門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47012-2010《制冷裝置用壓力容器》。對于這類換熱器中的特殊形狀受壓零件，目前沒有常規(guī)的計(jì)算方法，NB/T 47012標(biāo)準(zhǔn)提供了“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”方法和“包括有限元法在內(nèi)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)”方法求取特殊形狀受壓零件最小厚度。

單獨(dú)使用以上2種方法時(shí)，均存在明顯不足，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方法需要預(yù)先估選一個初始厚度來制造試樣，往往難以一次求解成功，需要反復(fù)修改并多次驗(yàn)證。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的有限元分析方法時(shí)，按NB/T 47012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)用此設(shè)計(jì)方法需要經(jīng)指定機(jī)構(gòu)評定認(rèn)可。導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長，設(shè)計(jì)成本高。

筆者經(jīng)過多年來的設(shè)計(jì)實(shí)踐，總結(jié)了一種合理有效的設(shè)計(jì)思路，通過以上2種設(shè)計(jì)方法的有效結(jié)合，在保證零件安全性能的基礎(chǔ)上，可以避免單獨(dú)使用以上2種設(shè)計(jì)方法時(shí)的限制及不足。具體思路為，先用有限元分析方法確定初始目標(biāo)厚度，然后按照初始目標(biāo)厚度制造驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的試樣，再使用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，求得準(zhǔn)確的最小厚度。本文以制冷壓力容器領(lǐng)域中的冷凝器特殊形狀零件——DN550帽型封頭（如圖1）為例，通過綜合運(yùn)用基于solidworks simulation的有限元分析方法和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方法，順利確定了封頭的最小厚度。

1.有限元分析簡介

有限元分析法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種計(jì)算方法，是一種求解關(guān)于場問題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。目前，有限元分析法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，適用于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的應(yīng)力分析、應(yīng)變分析和位移分析及疲勞分析等。

Solidworks simulation是一款集成在SolidWorks中的基于有限元技術(shù)的分析插件。運(yùn)用Solidworks Simulation，普通的設(shè)計(jì)人員無需專門培訓(xùn)就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并快速得到分析結(jié)果，同時(shí)可以方便的在設(shè)計(jì)仿真一體化界面中進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化，從而大幅度地縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省人力物力，降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。

2.有限元分析求解過程

2.1創(chuàng)建帽型封頭三維模型

DN550帽型封頭設(shè)計(jì)參數(shù)如表1，根據(jù)已知帽型封頭結(jié)構(gòu)尺寸（如圖1），并預(yù)設(shè)厚度尺寸為8mm，利用SolidWorks繪制帽型封頭三維模型。

2.2創(chuàng)建帽型封頭有限元模型

1）定義新算例：算例名稱默認(rèn)為“算例1”，因帽型封頭在冷凝器運(yùn)行時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此，算例類型選擇“靜態(tài)”。

2）指定材料屬性：在“應(yīng)用/編輯材料”中，Q345R為合金鋼，故選擇“合金鋼”，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為620.42MPa。

3）添加夾具：對24個螺栓孔添加“固定幾何體”約束，該約束用來模擬帽型封頭與冷凝器其它零件之間的連接狀態(tài)。

4）施加外部載荷：添加壓力載荷，選擇“外部載荷/壓力”，由于封頭內(nèi)側(cè)承受水壓，故選擇壓力的方向“垂直于所選面”，依次選擇所有直接承受水壓的面，壓力值取1.0MPa；添加溫度載荷，由于介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度55℃，還要定義溫度載荷，選擇“外部載荷/溫度”，單位選擇“攝氏度”，溫度值取55。

5）生成網(wǎng)格：選擇“生成網(wǎng)格”，“網(wǎng)格因子”使用默認(rèn)的中等密度網(wǎng)格，在SolidWorks simulation分析過程中，大多數(shù)情況下使用默認(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置，既可以使離散化誤差保持在可接受的程度，同時(shí)使計(jì)算時(shí)間最短。

2.3運(yùn)行分析

執(zhí)行“運(yùn)行”命令，SolidWorks simulation自動運(yùn)算，并生成von Mises應(yīng)力1、位移1、應(yīng)變1圖解。然后分別從應(yīng)力及安全系數(shù)的角度分析處理。

1）應(yīng)力分析：從von Mises應(yīng)力1圖解（圖2）看出，帽型封頭最大von Mises應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔內(nèi)側(cè)，最大為336.83MPa，遠(yuǎn)低于帽型封頭材料的屈服強(qiáng)度620.42MPa。因此，對于0345R材質(zhì)且厚度為8mm的帽型封頭的設(shè)計(jì)是安全的。

2）安全系數(shù)分析：首先定義安全系數(shù)圖解，執(zhí)行“安全系數(shù)”命令，在準(zhǔn)則中選擇“最大yon Mises應(yīng)力”，設(shè)定應(yīng)力極限到“屈服力”，然后選擇“安全系數(shù)分布”，生成安全系數(shù)1分布圖解（圖3），最小安全系數(shù)為1.84，在NB/T 47012標(biāo)準(zhǔn)中，對鋼制壓力容器安全系數(shù)規(guī)定為≥1.6，此帽型封頭最小安全系數(shù)大于1.6，因此，從安全系數(shù)的角度分析，該帽型封頭的設(shè)計(jì)是安全的。

2.4設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化

通常第一次預(yù)設(shè)厚度不是最佳結(jié)果，需要多次修改模型數(shù)據(jù)，重復(fù)以上分析過程，直到得出合格且經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)果，以確定后面驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)需要的目標(biāo)厚度。經(jīng)分析，從有限元分析的角度，采用Q345R材質(zhì)的帽型封頭最小厚度是8mm?？梢該?jù)此作為目標(biāo)厚度，制作下一步驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的試樣。

3.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)求解

3.1試樣制作

根據(jù)上述有限元分析結(jié)果確定的DN550帽型封頭目標(biāo)厚度制作驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的試樣。

3.2驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)求解過程

筆者在《驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在制冷壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》一文中介紹了DN550帽型封頭的具體驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程，采用8mm厚度的Q345R鋼板制作的帽型封頭試樣，驗(yàn)證結(jié)果合格；依據(jù)NB/T 47012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方法求取特殊形狀零件厚度時(shí)，最小厚度應(yīng)大于試樣厚度，所以DN550帽型封頭最小厚度取10mm。

首先用有限元分析方法作為輔助設(shè)計(jì)，最大程度上縮小了目標(biāo)厚度的范圍，為下一步的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)方法提供目標(biāo)厚度作為參考，然后根據(jù)有限元分析方法確定的目標(biāo)厚度制作驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的試樣。通過兩種設(shè)計(jì)方法的綜合運(yùn)用，最終完成了特殊形狀零件——DN550帽型封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，確定了封頭的最小厚度。

4.結(jié)論

2種設(shè)計(jì)方法的有效結(jié)合，取長補(bǔ)短，充分利用計(jì)算機(jī)硬件及軟件在修改及運(yùn)算方面的先進(jìn)性，快速確定目標(biāo)厚度，為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的成功提供了強(qiáng)有力支持。在保證零件安全性能的基礎(chǔ)上，提高了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的成功率，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了人力物力，降低了設(shè)計(jì)成本。