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基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析

发布日期：2010-12-06

利用ANSYS 9．0有限元程序对全焊接板式换热器管侧集合箱进行了应力分析，获得了管侧集合箱的各向应力及Mises等效应力和变形结果，为连接板的设计及变形分析提供了理论依据。

        关键词：板式换热器ANSYS 有限元应力连接板焊接

        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PREP 7，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Shell 63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ANSYS 9．0软件中的弹性四节点63单元(SheB elastic 4node 63)。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0．2 MPa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

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