ANSYS 軟件對板式換熱器結構強度的分析

李安軍，宮 兵，王寶林，李 建，劉雅雯，陳曉慶

（1. 甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070；2. 海軍駐重慶艦船動力軍事代表室，重慶 402260； 3. 金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737104）

框架結構是板式換熱器的重要組成部分，板體、橫梁及螺桿的強度直接影響換熱器的工作范圍和使用壽命。壓緊板的厚度、橫梁的結構、夾緊螺栓等部件的設計計算是較為重要的環節[1]，要進行理論計算或數值計算以確定所選結構強度是否達到要求。下面就應用Ansys 軟件以一臺BR06 板式換熱器的框架結構作為模型，對水壓試驗時的受力情況進行計算，得出整體結構的變形及受力分布云圖。

Ansys 是大型的有限元分析軟件，在各個行業中廣泛應用，它的基本功能是：結構靜力學分析、動力學分析、傳熱分析、計算流體力學分析、聲場分析等。ANSYS 軟件越來越多的應用到板式換熱器的結構分析計算中，為板式換熱器的結構開發和優化設計提供了重要依據[2]。

1 計算步驟

1.1 問題分析

板式換熱器框架的主要由固定板體、活動板體、上下導桿、前置桿及夾緊螺桿組成，就是一臺完整的設備除板片和膠墊之外的部分。圖1 為這臺換熱器的CAD 模型。

圖1 板式換熱器模型Fig.1 The model of PHE

已知板體厚度60 mm，夾緊螺栓為M36，設計壓力1.0 MPa，液壓試驗壓力1.3 MPa。框架結構的材料均為碳素鋼，彈性模量E=2.06×1 011 Pa；泊松比為0.26。

整個問題屬于靜力學問題，用Ansys 的結構受力分析模塊。對于一個線性靜態結構分析（Linear Static Analysis），位移{x}由下面的矩陣方程解出[3]：

[K]{x}={F}

其中：[K]—常量矩陣，是線彈性材料量，使用小變形理論，可以包含一些非線性邊界條件；

{F}—是靜態加在模型上的，不考慮隨時間變化的力，不包含慣性力的影響（質量、阻尼），N。

1.2 建模及網格劃分

利用ANSYS 軟件的前處理程序（Preprocessor），經過單元類型選擇、材料參數的確定、幾何建模等步驟，建立板式換熱器的三維模型，并對模型進行網格劃分。劃分時單元格尺寸缺省，網格質量選擇中等。

1.3 施加約束與載荷

1.3.1 約束條件

施加約束是重要的計算步驟，這里定義固定板體下部底板為完全約束，前置桿底板為部分約束，就是在Y 方向可移動，這與設計初衷是完全符合的。

1.3.2 加載

在換熱器液壓試驗時，由于板片受到壓力作用，通過板片間的接觸點，最終壓力傳遞到板體上，板體上受到壓力的面積與板片受壓面積相同，壓力相同，所以板體受力部分的壓強也應該等于試驗壓強，這里為1.3 MPa，所以在三維模型中板體的受壓面上定義壓強載荷1.3 MPa。

1.4 計算結果

經過前面的步驟后，進行計算，最后得到計算結果，這里取整體形變值（Total Deformation）和等效應力值（Equivalent Stress）。

ANSYS 軟件對計算結果的后處理表達方式有很多種，有等值線圖，云圖，列表，動畫等，這里用云圖表示變形或受力的大小。圖2 是各計算結果云圖。

圖2 計算結果云圖Fig.2 The cloud picture of computed results

1.5 結果分析

計算結果如表1。

表1 計算結果Table 1 Table of computed results

通過計算分析可以得出最大變形在活動板體上，大小為1.241 9 mm，其大小與板體寬度的比值1.2419/720=0.0017﹤1/500=0.002，所以這個變形量是符合要求的；固定板體的最大受力114.09 MPa，活動板體的最大受力138.71 MPa，拉桿的最大受力153.1 MPa，而板體材質抗拉強度為345 MPa，拉桿的抗拉強度600 MPa，可見板體及拉桿所受力均在材質的抗拉強度范圍內，所以說所選材質及結構符合強度要求[4,5]。

2 結 論

（1）在液壓實驗時活動板體的變形量要大于固定板體；

（2）對于密封來說，最薄弱的位置是二道密封和靠近上梁處，對于板體的變形來說，板體的中部位置，距離螺桿越遠處，變形量和等效應力越大；

（3）在液壓實驗時，中間部分的螺桿變形最大，受到的應力也最大。

通過ANSYS 軟件計算分析，得到設備在壓力試驗時的最大變形和最大應力的位置，計算結果可作為可拆式板式換熱器的結構設計和變形分析的理論依據。

［1］ 楊崇麟.板式換熱器工程設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1995.

［2］ 鋶丁 峰. Ansys12.0 有限元分析完全手冊[M]. 北京：電子工業出版社，2011-01.

［3］ 浦廣義.Ansysworkbench12 基礎教程與實例詳解[M]. 北京：中國水利水電出版社，2012-08.

［4］NB/T 47004-2009 板式熱交換器[S].

［5］ 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002-09.