劉叢叢

【摘 要】建立換熱容器前端蓋三維模型，對(duì)換熱器前端蓋進(jìn)行受熱及受力情況分析，確定前端蓋分析工況，用solidworks軟件中simulation模塊對(duì)前端蓋鑄件三維模型進(jìn)行分析，得到前端蓋各個(gè)工況下應(yīng)力分布情況，最終得出鑄件應(yīng)力分布云圖，對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足使用要求進(jìn)行評(píng)定。

【Abstract】Through the establishment of 3 d model of front cover of heat exchanger，make heating and force analysis of front cover of the heat exchanger to determine the working condition of the front cover. Using the simulation module in SolidWorks software to analyze the three-dimensional model of the front cover casting， the stress distribution of the front cover can be obtained under various working conditions. Finally， the stress distribution nephogram of the casting is obtained， and the strength of the casting structure is evaluated.

【關(guān)鍵詞】換熱器；前端蓋；鑄件；SolidWorks；simulation；分析

【Keywords】 heat exchanging；front cover；casting；Solidworks；simulation；analysis

【中圖分類號(hào)】TH123+.4 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）04-0103-02

1 引言

換熱器是全球多種行業(yè)廣泛使用的一種通用設(shè)備。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中換熱器的投資大約占設(shè)備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設(shè)備的40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的[1]。而在如今的換熱器行業(yè)中，批量產(chǎn)品和系列化產(chǎn)品越來(lái)越多，為了更加迅速地反映市場(chǎng)，節(jié)約加工成本和加工時(shí)間，許多生產(chǎn)廠家用鑄件代替焊接件，尤其是鑄件端蓋使用越來(lái)越多。而現(xiàn)有的過(guò)程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件SW6，只能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)形狀零部件強(qiáng)度。論文的目的是對(duì)換熱器的鑄造前端蓋進(jìn)行工況分析，并對(duì)其進(jìn)行各個(gè)工況強(qiáng)度校核，以便對(duì)鑄件端蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 三維模型建立

根據(jù)要求用solidworks軟件對(duì)鑄件前端蓋進(jìn)行三維建模，基于simulation分析模塊使用要求，分析用三維模型的厚度不包括腐蝕裕量，由于全端蓋只有內(nèi)腔接觸管側(cè)介質(zhì)，而管側(cè)腐蝕裕量為1mm，因此將前端蓋建模時(shí)，前端蓋內(nèi)徑Di應(yīng)在實(shí)際基礎(chǔ)上加2mm，端蓋內(nèi)腔圓弧半徑Ri在實(shí)際尺寸基礎(chǔ)上加1mm，壁厚δn在實(shí)際尺寸基礎(chǔ)上減1mm，因前端蓋內(nèi)部的分程筋兩側(cè)都與管側(cè)介質(zhì)接觸，所有保持分程筋中心線位置不變，厚度方向上減2mm。

三維模型建好后，需對(duì)端蓋法蘭螺栓孔處進(jìn)行處理（見(jiàn)圖1），用“線分割”功能鍵分割出施加螺栓力區(qū)域，以便在分析過(guò)程中添加螺栓力（分割圓大小與彈簧墊圈外徑一致）。最后得出處理好的前端蓋鑄件模型（見(jiàn)圖2）。

網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元大小15，模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾螅瑔卧倲?shù)為460580個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為694546。劃分完后進(jìn)行單元檢查，無(wú)畸形單元。

3 工況分析

由于換熱器端蓋既受管側(cè)熱應(yīng)力作用，又受管側(cè)壓力作用，因此鑄件前端蓋應(yīng)力分析分為以下三個(gè)工況進(jìn)行：

①在最大工作溫度下鑄件端蓋所受的熱分析；

管側(cè)最大工作溫度t1=32.7℃，外界環(huán)境溫度t2=20℃

②在設(shè)計(jì)壓力下鑄件端蓋所受的靜壓力分析；

管側(cè)設(shè)計(jì)壓力P=0.7MPa

③在最大工作溫度和設(shè)計(jì)壓力共同作用下鑄件端蓋的應(yīng)力分析。

管側(cè)設(shè)計(jì)溫度t1=32.7℃，外界環(huán)境溫度t2=20℃， 管側(cè)工作壓力P=0.7MPa。

進(jìn)出端蓋所受載荷示意圖如圖3所示，是多個(gè)獨(dú)立載荷的組合：作用于管側(cè)內(nèi)表面的管側(cè)壓力；作用于螺栓孔處的螺栓預(yù)緊力；作用于墊片接觸面的墊片支反力；管側(cè)流體溫度作用的溫度載荷。

圖3中，P1為管程液壓，P1=0.5MPa；T1為管程最大工作溫度，T1=32.7℃；T2為外界環(huán)境溫度，T2=20℃；F1為螺栓預(yù)緊力，F(xiàn)1=70593N；F2為墊片支反力，此次分析將約束放在墊片接觸面上，因此在此次分析中F2=0。

4 有限元分析

用solidworks Simulation 模塊進(jìn)行有限元分析前，需對(duì)端蓋鑄件材料進(jìn)行編輯，此次分析的端蓋材料為QT400—18R，其中許用應(yīng)力的設(shè)置參照標(biāo)準(zhǔn)TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進(jìn)行。

4.1 熱分析

論文的熱分析模型采用穩(wěn)態(tài)的對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)行分析[2]。通過(guò)以上分析，加入溫度載荷以后求得溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

4.2 靜應(yīng)力分析

第一步，需先設(shè)定約束，因進(jìn)出端蓋與換熱器其余部件接觸面在墊片接觸區(qū)域，因此選定墊片接觸面作為約束面，根據(jù)進(jìn)出端蓋實(shí)際安裝情況，約束進(jìn)出端蓋墊片接觸面平移方向及圓周方向的運(yùn)動(dòng)；第二步，設(shè)定力的大小以及力的作用面、作用方向，在分析工況2時(shí)，只設(shè)定靜壓力，分析工況3時(shí)，在工況2的基礎(chǔ)上添加算例1的熱載荷。最后得出鑄件進(jìn)出端蓋等值應(yīng)力強(qiáng)度云圖。

5 應(yīng)力評(píng)定

觀察鑄件進(jìn)出端蓋等值應(yīng)力強(qiáng)度云圖可知，工況2中，進(jìn)出端蓋最大應(yīng)力值等于13.7MPa，工況3中，進(jìn)出端蓋最大應(yīng)力值等于15.6MPa，而QT400—18R在該工作條件下許用應(yīng)力為50MPa，因此工況2、工況3最大應(yīng)力值均小于進(jìn)出端蓋材料許用應(yīng)力值，故可判定此結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語(yǔ)

從以上對(duì)換熱器鑄件進(jìn)出端蓋的有限元分析可以看出來(lái)，鑄件端蓋是可以滿足換熱器正常工作所需的強(qiáng)度要求的。因此可以看出來(lái)，有限元分析可以對(duì)換熱器中的非標(biāo)件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的強(qiáng)度校核，并且可以直觀地觀察到工件的最大應(yīng)力值點(diǎn)——危險(xiǎn)點(diǎn)。但是在有限元分析的過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)：

①在建模過(guò)程中需考慮腐蝕裕量，系統(tǒng)不能自動(dòng)對(duì)腐蝕裕量進(jìn)行處理。

②對(duì)材料參數(shù)的輸入一定要準(zhǔn)確，并且注意參數(shù)的單位。整個(gè)分析是建立在材料物理性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，材料的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分析結(jié)果的錯(cuò)誤。

③不能忽略熱載荷的作用，尤其是高溫的工作環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

【1】支浩，湯慧萍，朱紀(jì)磊.換熱器應(yīng)用與發(fā)展前景[J].化工進(jìn)展，2009，28（s1）：338-342.

【2】蓋超會(huì)，肖健，謝小恒，等.基于ANSYS換熱器法蘭有限元分析及應(yīng)力評(píng)定[J].當(dāng)代化工，2014（43）：2.