焊接板式換熱器連接板熱應(yīng)力有限元分析

發(fā)布時間：2010-1-11 瀏覽：3511

      傳統(tǒng)的散裝式板式換熱器(可拆卸式板式換熱器)，由于本身結(jié)構(gòu)的局限性，使用壓力不超過 2.5MPa，使用溫度不超過250℃，最大組裝面積 2000m 3，另外還存在橡膠密封墊在高溫下容易失效的缺陷以及在某些特定介質(zhì)中的應(yīng)用問題一直未能得到解決。因此，為了提高板式換熱器的使 用溫度和壓力，擴(kuò)大其使用范圍，國內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)、制造并使用了多種焊接板式換熱器。這些焊 接板式換熱器已經(jīng)越來越多地用于化工、石油、 動力、冶金等領(lǐng)域的加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)和熱回收等過程中。

        眾所周知鋼板越薄，傳熱效果就越好，但是鋼板太薄會給制造加工帶來很大的困難，尤其是在焊接時。薄板的對接焊縫易燒穿無法成型。在全焊接板式換熱器當(dāng)中就存在這樣的問題。在全焊接板式換熱器中由于管側(cè)端板為δ=20mm的 0Cr18Ni9的鋼板，而換熱器板片的板厚僅為 0.4—1.0mm，因此管側(cè)端板母材焊接加熱溫度達(dá)到熔化點(diǎn)時，傳熱板片已熔化掉了一大片，根本無法進(jìn)行焊接。如果將傳熱板片的板厚加厚（如 改為1.2mm以上），則不存在上述困難，但是為 了獲得良好的傳熱效果，決定不改變板厚，而是 在管側(cè)端板和板束之間加焊了一層δ=3—4mm按板束翼端連接處實(shí)際形狀制造的連接板解決了上述問題。因此連接板既要和板束焊接又要與管側(cè)端板焊接，從而產(chǎn)生較大的熱變形,給設(shè)計(jì)和制造工作帶來很多麻煩，因此對連接板的熱應(yīng)力分析顯得尤為重要。本文利用ANSYS軟件不僅對連 接板的溫度場做了計(jì)算，而且采用熱應(yīng)力耦合單元對熱應(yīng)力作了進(jìn)一步分析。在生產(chǎn)實(shí)踐中，該方法可提供了控制連接板熱變形的理論依據(jù)。

        1.連接板溫度場的邊值問題

        1.1熱微分方程式

        焊接熱過程取決于外加熱源的分布形式，材料的熱物理性能以及材料與周圍的換熱。連接板的傳熱問題是二維問題。為了簡化計(jì)算作如下的基本假設(shè)：

        （1）溫度場是穩(wěn)態(tài)；

        （2）連接板材料性質(zhì)不隨溫度變化；

        （3）焊接板材料為各向同性材料。

        溫度T（x,y,t）作為平面坐標(biāo)（x,y）與時間t的函數(shù)，揭示熱傳導(dǎo)和溫度場內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)工具是Laplace熱傳導(dǎo)方程：

          

 

        式中：λ——材料的導(dǎo)熱系數(shù)[J/(cm·s·℃)]

          c——比熱容[J/(g·℃)]；

          ρ——密度（g/cm3）

        1.2熱源熱量計(jì)算

          W =UIt（2）

        式中：U——焊接電壓；

          I——焊接電流；

        2.邊值問題的數(shù)值求解

        2.1建立幾何模型，劃分網(wǎng)格利用ANSYS軟件的前處理程序PREP7，經(jīng)過單元類型選擇，材料參數(shù)的確定，幾何建模，單元生成等步驟，建立連接板溫度場的有限元模型，并對有限元的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文采用 plane55四節(jié)點(diǎn)四邊形軸對稱單元自底向上的建摸方法建立有限元模型，共有233個節(jié)點(diǎn)，188個單元。有限元模型網(wǎng)格圖如圖1所示：

 

        2.2 加載和求解

        通過定義分析類型，分析選向，載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。添加載荷數(shù)據(jù)后，ANSYS軟件將自動求解，并將結(jié)果保存在文件中。

         2.3 后處理

        可以通過友好的用戶圖形界面獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果，并對這些結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。這些計(jì)算結(jié)果包括位移，溫度，應(yīng)力等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。后處理訪問數(shù)據(jù)的方法有兩種：

        一是通用后處理器POST1檢查整個模型或模型的某一部分中任意一個特定數(shù)據(jù)集的結(jié)果；二是時間歷程后處理器POST26，跨多個數(shù)據(jù)集檢查選擇的部分模型數(shù)據(jù)。

        3.典型實(shí)例分析

        本文連接板數(shù)據(jù)如下：寬度：30mm；長度 2170 mm；材料：0Cr18Ni9；彈性摸量：6.96E+11 Gpa；熱膨脹系數(shù):17.3E-6；熱導(dǎo)率:１５w/m·℃； 熔點(diǎn):1398－1453℃；泊松比:０.３；環(huán)境溫度:室 溫:20℃

        3.1溫度場計(jì)算與分析

        本例是對溫度場的計(jì)算，所以基本數(shù)據(jù)是節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)．由于材料的各向同性及對稱性，本文取整板的1/8作為研究對象。溫度場云圖如圖2：

        3.2 熱應(yīng)力計(jì)算

        本文用熱－結(jié)構(gòu)耦合法，采用plane42軸對稱單元進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算，后處理采用一般后處理器post1。分析結(jié)果包括連接板的Ｘ向應(yīng)力、Ｙ向應(yīng)力和等效應(yīng)力，應(yīng)力場云圖分別由以下：圖3，圖4，圖5所示：
    

 

        3.3 結(jié)果分析

        從上面云圖中可以清楚的看出熱應(yīng)力的最大 點(diǎn)所在，從溫度場云圖中可看出在該處的溫度值 及變化情況。正是由于該處溫度變化較大，溫度 梯度大，從而造成了較大的熱應(yīng)力。

        ４結(jié)論

        通過ANSYS分析，從溫度場云圖及應(yīng)力場 云圖可以直接看出溫度的變化情況和最大應(yīng)力的 位置，這些位置也是在設(shè)計(jì)和制造連接板的薄弱 環(huán)節(jié)。

        利用ANSYS軟件耦合計(jì)算連接板的溫度場和應(yīng) 力場，提高了計(jì)算精度，計(jì)算結(jié)果可作為連接板 的設(shè)計(jì)和計(jì)算理論依據(jù)，而且這種計(jì)算方法在工 程實(shí)際中也能得到廣泛的應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

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