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基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析
0前言板式换热器是一种传热效率高、占地面积小、安装使用方便、重量轻、污垢系数低及结构紧凑的换热设备。但是可拆卸式板式换热器，由于本身结构的局限性，使用压力不超过2．5MPa，使用温度不超过250℃，还存在流体与密封垫片的相容性问题uj。因此，为了提高板式换热器的使用温度和压力，扩大其使用范围，国内外陆续开发、制造了多种焊接式板式换热器，有全焊式板式换热器和半焊式板式换热器两大类。这些焊接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。采用焊接后，板式换热器能承受的压力和温度大大增加，密封性能良好。众所周知，钢板越薄，传热效果就越好，但是钢板太薄会给制造加工带来很大的困难。尤其是在焊接时，薄板的对接焊缝易烧穿无法成型。在全焊接板式换热器中就存在这样的问题。在全焊接板式换热器中由于管侧端板为δ=20ram的0Crl8Ni9钢板，而换热器板片的板厚仅为0．4—1．0ram，因此管侧端板母材焊接加热温度达到熔化点时，传热板片已熔化掉了一大片，根本无法进行焊接。如果将传热板片的板厚加厚(如改为1．2ram以上)，则不存在上述困难，但是为了获得良好的传热效果，一般不改变板厚，而是在管侧端板和板束之间加焊一层δ=3—4mm、按板束翼端连接处实际形状制造的连接板解决上述问题j。由于连接板与板束、管侧端板等结构焊接，连接板处的受力状况及其分析较复杂，因此采用ANSYS软件进行分析和结构优化是必要的。1管侧集合箱结构和计算条件全焊接板式换热器管侧集合箱主要由上下管侧端板、上下连接板、前后管侧侧端板构成一个矩形截面的容器，其中管侧端板与连接板搭接连接在一起。在管侧集合箱外面焊有加强圈和法兰，起到加强的作用。管侧集合箱的计算条件如表l所示。材料的力学特性如表2所示。2全焊接板式换热器管侧集合箱结构分析和力学模型根据管侧集合箱的结构特性和工程要求，利用ANSYS软件的前处理程序PREP7，经过单元类型选择、材料参数的确定、几何建模和单元生成等步骤，建立管侧集合箱的有限元分析模型，并对有限元的模型进行网格划分。本文采用Shell63弹性四节点63单元自底向上的建模方法建立有限元模型，得到结构的变形及受力分析。2．1连接板与管侧端板搭接的力学模型根据结构特性和载荷特性，在有限元模型中，取整个管侧集合箱的1／4进行分析。壳体有限元模型见图1。图1管侧集合箱有限元模型2．2约束条件由于模型取整体的1／4进行分析，因此在模型对称面上施加对称约束。连接板与板束连接的部位施加固定约束，管侧侧端板也施加固定约束。2．3有限单元选择(1)定义单元类型结构采用ANSYS9．0软件中的弹性四节点63单元(SheBelastic4node63)。Shell63弹性壳：具有弯矩和薄膜特性，可承受与平面同方向及法线方向的荷载。每个节点6个自由度：X、Y、方向和绕X、Y、轴方向。有应力强化和大变形能力，提供用于大变形分析的连续性相切矩阵。(2)定义材料属性设定连接板和端板的弹性模量E为190GPa，泊松比μ为0．29；设定加强圈和法兰的弹性模量E为200GPa，泊松比μ为0．28。(3)网格划分网格划分选择自由网格划分方式。2．4施加载荷在模型的内表面施加0．2MPa的压力。3分析结果分析结果包括管侧集合箱的各项应力和等效应力及变形分析。3．1管侧集合箱各项应力及等效应力管侧集合箱各项应力及等效应力分别见图2图6。图2管侧集合箱节点位移云图3．2计算结果分析从应力场云图即图3～图6可得到管侧集合箱应力最大值及其位置(见表3)。从表3可看出，最大的应力出现在管侧侧端板中点，即矩形截面长边中点处，这与根据工程经验估计的最大应力值位置是相吻合的。证明该模型的建立和计算结果是符合实际的。4结论通过ANSYS分析，从节点位移云图及应力场云图可较直接地看出应力的变化情况和最大应力的位置，提高了计算精度，计算结果可作为全焊接板式换热器连接板的结构设计和变形分析的理论依据。这种计算方法在工程实际中可广泛应用。