全焊接板式换热器应力分析及评定

何志伟

【摘 要】 利用美国ANSYS股份有限公司研发的一种基于大型通用有限元分析的ANSYS软件，融合了耦合场、电磁场、声体、流体等技术。通过构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元模型，并根据有限元模型相关数据信息进行深入分析与研究，最后根据计算后的应力分布情况与数值大小，对全焊接板式换热器应力进行全面的评定，进而有效促进全焊接板式换热器管侧集箱的改进，提高全焊接板式换热器的实际应用性能。本文主要针对全焊接板式换热器应力分析及评定进行研究。

【关键词】 ANSYS软件 有限元模型 全焊接板式换热器 应力分析

全焊接板式换热器是由一种特殊的不锈钢材料，以特定的模具压制而成，具有高效的传热性能、结构紧凑、安装便捷、质量轻、使用灵活、密封性良好、占地面积小以及对环境污染程度小等优势，广泛应用于化工领域、原油领域、天然气净化处理、化工产品、石油领域、冶金领域、热电厂、食品领域等。在全焊接板式换热器当中普遍存在钢板对接焊缝易烧穿无法成型的问题，因此，对全焊接板式换热器应力分析及评定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式换热器管侧集合箱结构分析

全焊接板式换热器管侧集合箱主要是由以及几部分构成：加强圈、前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板构成的一个表面为矩形的容器。此外，在全焊接板式换热器管侧集合箱的外面，又焊有一层加强圈，起到保护全焊接板式换热器管侧集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力分析与力学模型

根据全焊接板式换热器管侧集合箱结构特征与设计要求，利用大型通用有限元分析软件ANSYS，通过前处理器PREP7命令，构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元分析模型，并通过Shell63弹性壳单元描述，对全焊接板式换热器应力分布情况与数值大小进行分析全面分析[3]。

2.1 前后管则端板与上下连接板搭接的力学模型

在构建的有限元模型中，根据全焊接换热器管侧集合箱的结构性能与载荷性能，取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析。

2.2 分析约束条件

由于只取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析，因此，在有限元模型对称面上施加对称约束，即对上下连接板与其他部分连接的部位均施加固定约束，前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板也是如此[4]。

2.3 有限单元的选择

有限单元的选择主要分为三个部分，一是定义单元类型的选择，应选择具有较大变形能力与应力强度，包括自由度X、Y、Z方向与绕X、Y、Z轴方向，全焊接板式换热器管侧集合箱结构有限单元的选择主要采用Shell63弹性壳单元；二是材料属性的定义，包括材料的温度为80摄氏度、压强为0.22兆帕斯卡、材料弹性模量值为190G Pa、加强圈弹性模量值为200G Pa、泊松比为0.29；三是网格划分方法选择自由的方式。

3 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力评定

通过对全焊接板式换热器管侧集合箱应力实验可以看出，通常情况下，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板上，并且最大应力数值高达165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通过对表1中的数据分析可以得出，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板的中间部分，这与全焊接板式换热器设计的最大应力数值和最大值位置部分是一致的，同时也证明了构建的该有限元模型与全焊接板式换热器管侧集合箱实际最大应力数值是符合的。除此之外，还可以有效分析出全焊接板式换热器管侧侧端板的危险部分，也就是管侧集合箱最大应力出现处，即矩形表面最长边的中心点。这充分说明了构建有限元模型是正确、有效、可行的。

此外，根据国家2005年对机械、汽车、压力容器行业标准JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的修改，加强的了压力容器行业的校对与审核标准。而根据表2全焊接板式换热器管侧集合箱应力的最大值及位置可以看出，全焊接板式换热器强度符合国家标准要求，其结构是安全、可行的[5]。

4 结语

利用ANSYS软件，对全焊接式换热器应力分布情况与数值大小进行分析，进而综全评定全焊接板式换热器应力，一方面有利于全焊接板式换热器的进一步改善；另一方面，有利于全焊接板式换热器的实际应用性与可操作性。

参考文献：

[1]陈满儒，孙文迪，刘海林等.基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析与研究[J].中国制造业信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉红，马东方，李晓丽等.基于ANSYS的固定管板式换热器的热应力分析及评定研究[J]石油化工腐蚀与防护研究（理论版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陈德林，丁雪兴等.焊接板式换热器连接板热应力有限元分析研究[J].大连科技大学学报（自然科学版），2010，32（04）：163-164.

[4]王维慧，胡光忠，朱跃峰等.基于COMOSWORKS软件的固定管板式换热器应力分析方法研究[J].中国制造业信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陈文超，张锁龙，刘天丰等.基于COMOSWORKS固定管板式换热器热应力分析方法研究[J].华南理工大学学报（社会科学版），2009，26（08）：142-145.endprint

【摘 要】 利用美国ANSYS股份有限公司研发的一种基于大型通用有限元分析的ANSYS软件，融合了耦合场、电磁场、声体、流体等技术。通过构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元模型，并根据有限元模型相关数据信息进行深入分析与研究，最后根据计算后的应力分布情况与数值大小，对全焊接板式换热器应力进行全面的评定，进而有效促进全焊接板式换热器管侧集箱的改进，提高全焊接板式换热器的实际应用性能。本文主要针对全焊接板式换热器应力分析及评定进行研究。

【关键词】 ANSYS软件 有限元模型 全焊接板式换热器 应力分析

全焊接板式换热器是由一种特殊的不锈钢材料，以特定的模具压制而成，具有高效的传热性能、结构紧凑、安装便捷、质量轻、使用灵活、密封性良好、占地面积小以及对环境污染程度小等优势，广泛应用于化工领域、原油领域、天然气净化处理、化工产品、石油领域、冶金领域、热电厂、食品领域等。在全焊接板式换热器当中普遍存在钢板对接焊缝易烧穿无法成型的问题，因此，对全焊接板式换热器应力分析及评定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式换热器管侧集合箱结构分析

全焊接板式换热器管侧集合箱主要是由以及几部分构成：加强圈、前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板构成的一个表面为矩形的容器。此外，在全焊接板式换热器管侧集合箱的外面，又焊有一层加强圈，起到保护全焊接板式换热器管侧集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力分析与力学模型

根据全焊接板式换热器管侧集合箱结构特征与设计要求，利用大型通用有限元分析软件ANSYS，通过前处理器PREP7命令，构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元分析模型，并通过Shell63弹性壳单元描述，对全焊接板式换热器应力分布情况与数值大小进行分析全面分析[3]。

2.1 前后管则端板与上下连接板搭接的力学模型

在构建的有限元模型中，根据全焊接换热器管侧集合箱的结构性能与载荷性能，取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析。

2.2 分析约束条件

由于只取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析，因此，在有限元模型对称面上施加对称约束，即对上下连接板与其他部分连接的部位均施加固定约束，前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板也是如此[4]。

2.3 有限单元的选择

有限单元的选择主要分为三个部分，一是定义单元类型的选择，应选择具有较大变形能力与应力强度，包括自由度X、Y、Z方向与绕X、Y、Z轴方向，全焊接板式换热器管侧集合箱结构有限单元的选择主要采用Shell63弹性壳单元；二是材料属性的定义，包括材料的温度为80摄氏度、压强为0.22兆帕斯卡、材料弹性模量值为190G Pa、加强圈弹性模量值为200G Pa、泊松比为0.29；三是网格划分方法选择自由的方式。

3 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力评定

通过对全焊接板式换热器管侧集合箱应力实验可以看出，通常情况下，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板上，并且最大应力数值高达165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通过对表1中的数据分析可以得出，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板的中间部分，这与全焊接板式换热器设计的最大应力数值和最大值位置部分是一致的，同时也证明了构建的该有限元模型与全焊接板式换热器管侧集合箱实际最大应力数值是符合的。除此之外，还可以有效分析出全焊接板式换热器管侧侧端板的危险部分，也就是管侧集合箱最大应力出现处，即矩形表面最长边的中心点。这充分说明了构建有限元模型是正确、有效、可行的。

此外，根据国家2005年对机械、汽车、压力容器行业标准JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的修改，加强的了压力容器行业的校对与审核标准。而根据表2全焊接板式换热器管侧集合箱应力的最大值及位置可以看出，全焊接板式换热器强度符合国家标准要求，其结构是安全、可行的[5]。

4 结语

利用ANSYS软件，对全焊接式换热器应力分布情况与数值大小进行分析，进而综全评定全焊接板式换热器应力，一方面有利于全焊接板式换热器的进一步改善；另一方面，有利于全焊接板式换热器的实际应用性与可操作性。

参考文献：

[1]陈满儒，孙文迪，刘海林等.基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析与研究[J].中国制造业信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉红，马东方，李晓丽等.基于ANSYS的固定管板式换热器的热应力分析及评定研究[J]石油化工腐蚀与防护研究（理论版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陈德林，丁雪兴等.焊接板式换热器连接板热应力有限元分析研究[J].大连科技大学学报（自然科学版），2010，32（04）：163-164.

[4]王维慧，胡光忠，朱跃峰等.基于COMOSWORKS软件的固定管板式换热器应力分析方法研究[J].中国制造业信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陈文超，张锁龙，刘天丰等.基于COMOSWORKS固定管板式换热器热应力分析方法研究[J].华南理工大学学报（社会科学版），2009，26（08）：142-145.endprint

【摘 要】 利用美国ANSYS股份有限公司研发的一种基于大型通用有限元分析的ANSYS软件，融合了耦合场、电磁场、声体、流体等技术。通过构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元模型，并根据有限元模型相关数据信息进行深入分析与研究，最后根据计算后的应力分布情况与数值大小，对全焊接板式换热器应力进行全面的评定，进而有效促进全焊接板式换热器管侧集箱的改进，提高全焊接板式换热器的实际应用性能。本文主要针对全焊接板式换热器应力分析及评定进行研究。

【关键词】 ANSYS软件 有限元模型 全焊接板式换热器 应力分析

全焊接板式换热器是由一种特殊的不锈钢材料，以特定的模具压制而成，具有高效的传热性能、结构紧凑、安装便捷、质量轻、使用灵活、密封性良好、占地面积小以及对环境污染程度小等优势，广泛应用于化工领域、原油领域、天然气净化处理、化工产品、石油领域、冶金领域、热电厂、食品领域等。在全焊接板式换热器当中普遍存在钢板对接焊缝易烧穿无法成型的问题，因此，对全焊接板式换热器应力分析及评定是十分必要的[1]。

1 全焊接板式换热器管侧集合箱结构分析

全焊接板式换热器管侧集合箱主要是由以及几部分构成：加强圈、前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板构成的一个表面为矩形的容器。此外，在全焊接板式换热器管侧集合箱的外面，又焊有一层加强圈，起到保护全焊接板式换热器管侧集合箱分裂的作用[2]。

2 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力分析与力学模型

根据全焊接板式换热器管侧集合箱结构特征与设计要求，利用大型通用有限元分析软件ANSYS，通过前处理器PREP7命令，构建全焊接板式换热器管侧集合箱有限元分析模型，并通过Shell63弹性壳单元描述，对全焊接板式换热器应力分布情况与数值大小进行分析全面分析[3]。

2.1 前后管则端板与上下连接板搭接的力学模型

在构建的有限元模型中，根据全焊接换热器管侧集合箱的结构性能与载荷性能，取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析。

2.2 分析约束条件

由于只取四分之一的全焊接换热器管侧集合箱进行分析，因此，在有限元模型对称面上施加对称约束，即对上下连接板与其他部分连接的部位均施加固定约束，前管侧端板、后管侧端板、上连接板、下连接板、上管侧端板、下管侧端板也是如此[4]。

2.3 有限单元的选择

有限单元的选择主要分为三个部分，一是定义单元类型的选择，应选择具有较大变形能力与应力强度，包括自由度X、Y、Z方向与绕X、Y、Z轴方向，全焊接板式换热器管侧集合箱结构有限单元的选择主要采用Shell63弹性壳单元；二是材料属性的定义，包括材料的温度为80摄氏度、压强为0.22兆帕斯卡、材料弹性模量值为190G Pa、加强圈弹性模量值为200G Pa、泊松比为0.29；三是网格划分方法选择自由的方式。

3 全焊接板式换热器管侧集合箱结构应力评定

通过对全焊接板式换热器管侧集合箱应力实验可以看出，通常情况下，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板上，并且最大应力数值高达165.255兆帕斯卡，如表1所示。

通过对表1中的数据分析可以得出，全焊接板式换热器最大应力出现在管侧集合箱上下管侧端板的中间部分，这与全焊接板式换热器设计的最大应力数值和最大值位置部分是一致的，同时也证明了构建的该有限元模型与全焊接板式换热器管侧集合箱实际最大应力数值是符合的。除此之外，还可以有效分析出全焊接板式换热器管侧侧端板的危险部分，也就是管侧集合箱最大应力出现处，即矩形表面最长边的中心点。这充分说明了构建有限元模型是正确、有效、可行的。

此外，根据国家2005年对机械、汽车、压力容器行业标准JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的修改，加强的了压力容器行业的校对与审核标准。而根据表2全焊接板式换热器管侧集合箱应力的最大值及位置可以看出，全焊接板式换热器强度符合国家标准要求，其结构是安全、可行的[5]。

4 结语

利用ANSYS软件，对全焊接式换热器应力分布情况与数值大小进行分析，进而综全评定全焊接板式换热器应力，一方面有利于全焊接板式换热器的进一步改善；另一方面，有利于全焊接板式换热器的实际应用性与可操作性。

参考文献：

[1]陈满儒，孙文迪，刘海林等.基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析与研究[J].中国制造业信息化研究（上旬刊），2011，13（02）：131-132.

[2]祁玉红，马东方，李晓丽等.基于ANSYS的固定管板式换热器的热应力分析及评定研究[J]石油化工腐蚀与防护研究（理论版），2011，22（15）：121-122.

[3]朱敬超，陈德林，丁雪兴等.焊接板式换热器连接板热应力有限元分析研究[J].大连科技大学学报（自然科学版），2010，32（04）：163-164.

[4]王维慧，胡光忠，朱跃峰等.基于COMOSWORKS软件的固定管板式换热器应力分析方法研究[J].中国制造业信息化研究（下旬刊），2009，26（07）：149-151.

[5]陈文超，张锁龙，刘天丰等.基于COMOSWORKS固定管板式换热器热应力分析方法研究[J].华南理工大学学报（社会科学版），2009，26（08）：142-145.endprint