基于有限元法的水室靜態(tài)特性研究

卞真玉,陳會(huì)芳,黃飛

（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心,江蘇太倉(cāng) 215400）

0 引 言

水室作為空調(diào)換熱系統(tǒng)的重要構(gòu)成部件之一，在空調(diào)換熱過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，其可靠性會(huì)直接影響到機(jī)組的穩(wěn)定性及換熱效率[1]。在傳統(tǒng)的水室設(shè)計(jì)選型中對(duì)其強(qiáng)度的校核多依賴于經(jīng)驗(yàn)和公式計(jì)算，當(dāng)水室的結(jié)構(gòu)以及載荷變得復(fù)雜時(shí)，便增加了計(jì)算的不準(zhǔn)確性，同時(shí)也增大了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

由于近年來(lái)數(shù)值計(jì)算方法在工程應(yīng)用中的逐漸成熟，使得其成為一種有效且準(zhǔn)確的工程分析手段[2]。葉萌[3]利用有限元法對(duì)某型號(hào)化工產(chǎn)品的回程水室進(jìn)行了強(qiáng)度分析；洪增元[4]通過(guò)Abaqus軟件對(duì)某凝汽器水室進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定，此外還有其他許多工程技術(shù)人員和科研工作者利用有限元法對(duì)水室的各方面性能進(jìn)行了分析[5-12]，對(duì)于大型中央空調(diào)換熱器水室系統(tǒng)來(lái)說(shuō),使用有限元法來(lái)校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不僅可以準(zhǔn)確地得到其應(yīng)力分布，還可以快速地優(yōu)化水室的設(shè)計(jì)選型，從而縮短設(shè)計(jì)周期。本文利用有限元法對(duì)某型號(hào)冷凝器水室進(jìn)行了強(qiáng)度分析，研究了相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)其強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而為其設(shè)計(jì)選型提供了重要的參考與指導(dǎo)。

1 水室的計(jì)算模型的建立

某型號(hào)空調(diào)機(jī)組冷凝器水室的三維結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要由鑄造殼體和焊接法蘭組成，在法蘭上開有螺栓孔，通過(guò)螺栓與冷凝器連接。水室的材料采用的是鑄鐵，彈性模量大小為99 GPa；泊松比大小為0.3；密度大小為7.3×103kg/m3。

依據(jù)壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)范[13]，該型號(hào)機(jī)組水室的工作壓力為1.03 MPa，工作壓力乘以相對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)即可得到爆破測(cè)試時(shí)的壓力大小。在建立有限元計(jì)算模型時(shí),可以刪除一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的細(xì)小特征[14]，網(wǎng)格采用ANSYS中的高精度Solid187實(shí)體單元[15]。在爆破測(cè)試時(shí)，在水室的入口處添加一塊壓力試驗(yàn)封板，計(jì)算時(shí)約束封板的6個(gè)自由度。劃分好網(wǎng)格后的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 水室三維結(jié)構(gòu)模型

2 計(jì)算結(jié)果的分析

建立好有限元計(jì)算模型后，冷凝器水室在測(cè)試壓力大小為5.15 MPa的條件下的主應(yīng)力分布如圖3所示。從圖3（a）可以看出水室的絕大部分外表面均處于低應(yīng)力狀態(tài)下,最大主應(yīng)力達(dá)到341 MPa，位于靠近小凸臺(tái)的圓周面上，此外靠近水管接口的一圈圓周面上，也出現(xiàn)高應(yīng)力，這是水室強(qiáng)度較為薄弱的區(qū)域，應(yīng)該引起關(guān)注。從圖3（b）中可以看出水室內(nèi)表面均處于低應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力為218 MPa，水室的強(qiáng)度滿足測(cè)試要求。

圖2 水室的有限元模型

為了更好地研究水室內(nèi)部的主應(yīng)力分布，以水室底部為零點(diǎn)，不同高度上的橫截面最大主應(yīng)力為縱坐標(biāo)，得到水室內(nèi)部橫截面的主應(yīng)力沿高度方向上的分布如圖4所示。從圖中可以看出水室內(nèi)部主應(yīng)力較高區(qū)域主要集中在水室中間區(qū)域，即水室主壁面與水室接口之間的圓角附近。而靠近焊接法蘭以及水管接口頂部的區(qū)域主應(yīng)力則較小。這與水室內(nèi)外表面上的主應(yīng)力分布比較一致。

圖3 水室應(yīng)力分布圖

圖4 水室內(nèi)部應(yīng)力沿高度分布圖

3 水室靜態(tài)特性的影響因素分析

3.1 水室壁厚對(duì)靜態(tài)特性的影響分析

改變水室的厚度來(lái)研究壁厚的變化對(duì)水室主應(yīng)力的影響，得到壁厚變化與主應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出隨著水室壁厚的增大，水室各部位的主應(yīng)力都有著明顯的減小，其中近水管接口外表面處的主應(yīng)力對(duì)水室的壁厚變化最敏感，當(dāng)水室壁厚增加10 mm后，內(nèi)表面的主應(yīng)力不再發(fā)生較大的變化。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以依據(jù)實(shí)際的加工工藝情況，來(lái)適當(dāng)?shù)卦龃蟊诤?，從而增加水室的?qiáng)度，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可靠性。

圖5 水室壁厚與主應(yīng)力關(guān)系圖

3.2 水管接口高度對(duì)靜態(tài)特性的影響分析

水管接口高度作為水室的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅影響水室的外形，還對(duì)水室的強(qiáng)度有著重要的影響。在保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變的條件下對(duì)其進(jìn)行靈敏度分析得到水管接口高度變化與主應(yīng)力的關(guān)系圖。從圖6中可以看出，隨著接口高度的逐漸增加，水室的各部位主應(yīng)力也逐漸減小，但減小的幅度并不大，其中水室外表面的主應(yīng)力對(duì)接口高度的變化最為敏感，最大減小量達(dá)到10 MPa以上。近水管接口處的主應(yīng)力幾乎沒有發(fā)生變化。當(dāng)高度增加10 mm后，各部位的主應(yīng)力不再隨水管高度的增加而發(fā)生較大變化。因此可以根據(jù)水室在機(jī)組中的裝配情況來(lái)適當(dāng)增大接口高度，進(jìn)而提高水室的靜態(tài)特性。

圖6 水管接口高度與主應(yīng)力關(guān)系圖

3.3 圓角半徑對(duì)靜態(tài)特性的影響分析

主壁面的圓角半徑大小不僅影響水室的制造性能，還對(duì)其靜態(tài)性能有著重要的影響。圖7為在壁厚為13.5 mm、水管接口高度為31.75 mm的條件下，主壁面圓角半徑與水室最大主應(yīng)力的關(guān)系圖。從圖中可以看出當(dāng)圓角半徑增大5 mm后,水室各部位最大主應(yīng)力都有著較為明顯的減小，當(dāng)圓角半徑繼續(xù)增大5 mm后，各部位的主應(yīng)力均有不同程度的增大，其中外表面最為明顯。因此在設(shè)計(jì)階段可根據(jù)實(shí)際工藝水平，將圓角半徑的變化量盡可能的控制在-5～+5 mm范圍內(nèi)。

圖7 主壁面圓角半徑與主應(yīng)力關(guān)系圖

3.4 法蘭高度對(duì)靜態(tài)特性的影響分析

保持其他設(shè)計(jì)參數(shù)不變來(lái)研究法蘭高度的變化對(duì)水室靜態(tài)特性的影響，得到法蘭高度與水室最大主應(yīng)力的關(guān)系如圖8所示。從圖8中可以看出當(dāng)法蘭高度從減小15 mm到增大5 mm時(shí)，水室外表面處最大主應(yīng)力有著明顯的減小，內(nèi)表面以及靠近水管接口表面出處的主應(yīng)力也有著小幅度的減小。法蘭的高度選取需參考冷凝器的型號(hào)以及實(shí)際裝配空間。因此可以適當(dāng)增大法蘭的高度，從而來(lái)提高水室的強(qiáng)度。

圖8 法蘭高度與主應(yīng)力關(guān)系圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）利用有限元法，建立了水室的有限元計(jì)算模型，得到了水室在測(cè)試壓力條件下的最大主應(yīng)力分布云圖，最大主應(yīng)力為341 MPa,滿足測(cè)試要求，并分析了水室內(nèi)部主應(yīng)力沿水室高度方向上的變化趨勢(shì)。

2）研究了水室壁厚，法蘭高度等重要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水室靜態(tài)性能的影響，得到了設(shè)計(jì)參數(shù)與水室最大主應(yīng)力的影響關(guān)系圖，結(jié)果表明：水室壁厚對(duì)其靜態(tài)特性影響最大；水管接口高度對(duì)其靜態(tài)特性影響最??；適當(dāng)提高法蘭高度對(duì)水室的靜態(tài)特性的提高有著顯著的效果。

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