王 靜 邱金梁 王 婷 陳曉君

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司)

基于ANSYS的翅片管式換熱器端板的應(yīng)力分析

王 靜*邱金梁 王 婷 陳曉君

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)壓力容器有限公司)

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件對翅片管式換熱器殼體端板進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果滿足使用要求，為保證設(shè)備的安全性提供了理論依據(jù)。

換熱器 翅片管式 端板 應(yīng)力分析 ANSYS

0 前言

翅片管式換熱器[1]是一種新型高效換熱器，與一般管殼式換熱器相比，具有傳熱系數(shù)大、管壁溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等特點(diǎn)，在石油、化工、機(jī)械、輕工、食品等多種工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。其殼體設(shè)計(jì)一般采用規(guī)則設(shè)計(jì)，強(qiáng)度計(jì)算按照GB 150[2]進(jìn)行。但由于其水箱與殼體連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對其強(qiáng)度計(jì)算方面的研究尚少，計(jì)算時(shí)按GB 151中的近似結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)者總是盡量增大厚度，以確保容器的承壓能力，結(jié)果得出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較保守，這就限制了容器整體性能的提高和材料的有效利用。隨著分析設(shè)計(jì)[3-4]概念的提出，設(shè)計(jì)者越來越多地對壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文采用ANSYS有限元分析軟件，對翅片管式換熱器殼體的端板進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算和分析，為保證設(shè)備的安全性提供了理論依據(jù)。通過分析可知，設(shè)計(jì)者不必盲目增大端板的厚度，在不降低設(shè)備安全性的前提下以容器的質(zhì)量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使材料得到有效的利用。

1 端板應(yīng)力分析

1.1 工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為一翅片管式換熱器，工作介質(zhì)為空氣，其水箱與殼體前端板采用螺栓連接，殼體與端板采用焊接連接。殼體端板的截面尺寸如圖2所示。殼體材料為Q345R，端板材料為16Mn鍛件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)壓力2.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃，彈性模量1.97×105MPa，泊松比0.3。殼體的許用應(yīng)力159 GPa，端板的許用應(yīng)力135 GPa。1.2 結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)模型

針對該換熱器 （冷卻器）的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們?nèi)《税甯浇木植拷Y(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對峰值應(yīng)力部位進(jìn)行強(qiáng)度評定。

圖1 換熱器及端板附近局部結(jié)構(gòu)

圖2 殼體端板的截面尺寸

表1 換熱器端板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)換熱器 （冷卻器）的結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，采用三維空間力學(xué)模型，在有限元模型中考慮了腐蝕余量的影響，邊界條件和所用單元如下。

1.2.1 位移邊界條件

該局部結(jié)構(gòu)是從整個(gè)殼體上切下來的，將切面上的坐標(biāo)系修改為柱坐標(biāo)系，而約束其軸向和環(huán)向位移，從而控制結(jié)構(gòu)的剛體位移。

1.2.2 有限單元選擇

結(jié)構(gòu)采用ANSYS有限元軟件提供的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元 (SOLID45)。

1.2.3 力邊界條件

筒體及端板承受內(nèi)壓p=2.0 MPa，水蓋因承受內(nèi)壓而通過螺栓施加到端板上的拉力在有限元模型中等效地施加到螺栓連接位置處。圖3所示為端板附近局部結(jié)構(gòu)的有限元模型，圖中箭頭所指示方向?yàn)槁菟ㄟB接位置處的受力方向。

1.3 強(qiáng)度評定

計(jì)算所得的應(yīng)力分布圖如圖4所示。對于該整體結(jié)構(gòu)來說，最大應(yīng)力位置在筒體處。在筒體最大應(yīng)力位置沿厚度方向定義路徑 （如圖 5所示的PATH 1），并沿該路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化，計(jì)算得到的筒體的薄膜應(yīng)力SⅠ=54.6MPa，局部薄膜應(yīng)力SⅡ=58.4 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ=59.5 MPa。然后按照J(rèn)B 4732分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，評定結(jié)果為

圖3 端板附近局部結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4 端板應(yīng)力分布

圖5 應(yīng)力線性化路徑分布

評定結(jié)果合格，筒體滿足使用要求。

對于端板來說，最大應(yīng)力位置在方孔的角點(diǎn)處。在該位置沿端板厚度方向定義路徑 （如圖5所示的PATH 2），沿該路徑進(jìn)行應(yīng)力線性化，計(jì)算得到的端板的薄膜應(yīng)力SI=4.5 MPa，局部薄膜應(yīng)力SⅡ=5 MPa，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力+二次應(yīng)力SⅣ=22.9 MPa。然后按照J(rèn)B 4732分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評定，評定結(jié)果合格，端板滿足使用要求。

2 結(jié)論

本文對翅片管式換熱器殼體端板進(jìn)行了應(yīng)力分析，并根據(jù)相關(guān)的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評定。結(jié)果表明，該換熱器端板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。采用有限元分析，能在較短時(shí)間內(nèi)對建立的分析模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真過程，為減少材料浪費(fèi)提供了有效的方法。合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件，對于壓力容器類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]趙淑芝.換熱器技術(shù)新進(jìn)展[J].石油化工動(dòng)態(tài)，1996（4）：30-37.

[2]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 150.1～150.4—2011.壓力容器 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[3]鄭津洋，董其伍，桑芝富.過程設(shè)備設(shè)計(jì) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[4]全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

Stress Analysis of Fin-tube Heat Exchanger End Plate Based on ANSYS

Wang Jing Qiu Jinliang Wang Ting Chen Xiaojun

The finite element analysis software ANSYS was applied in stress analysis of fin-tube heat exchanger end plate，the analysis results satisfied the operating requirements，which provided a theoretical basis to ensure the security of the equipment.

Heatexchanger；Fin-tube；End plate；Stress analysis；ANSYS

TQ 050.2

2012-12-11）

*王靜，女，1981年生，工程師。沈陽市，110869。