基于熱-應(yīng)力耦合場有限元分析的釬焊板翅結(jié)構(gòu)性能研究

丁友勝 王 亮 崔新亭

(中空能源設(shè)備有限公司)

板翅換熱器適用于氣-氣、氣-液、液-液及相變等各種流體之間的換熱場合，通過流道的布置可以實(shí)現(xiàn)順流、逆流、交叉流及多股流等多種換熱工況，加之其具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高及裝配簡單等優(yōu)點(diǎn)，在動力機(jī)械、石油化工及制冷低溫等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

目前，板翅式換熱器多采用真空釬焊的方式加工，將隔板、翅片及封條等組成一個夾層，成為板翅換熱器的一個流道，根據(jù)需要布置每一層通道，將通道疊加起來形成板束，配以封頭、導(dǎo)流片及接管等組件，用夾具固定后送入釬焊爐中加熱，隨著溫度的升高，釬料逐漸融化、聚集在隔板與翅片貼合的表面，此時停止加熱，釬料冷卻后形成焊縫，使換熱器成為一個整體[1]。

板翅換熱器結(jié)構(gòu)尺度差異較大，且翅片有波紋形、鋸齒形及打孔翅片等多種形式，造成了換熱器結(jié)構(gòu)與換熱情況復(fù)雜。目前，對板翅式換熱器的研究主要有板翅式換熱器的流動、傳熱性能和換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度兩個方面[2～4]。施晨潔等用Fluent軟件對板翅換熱空氣冷卻側(cè)傳熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了穩(wěn)態(tài)湍流情況下流體溫度場和流場的分布[5]；李海潮和王龍崗?fù)ㄟ^觀察解剖釬焊試樣，探討了鋁制板翅式換熱器真空釬焊缺陷產(chǎn)生的原因[6]；蔣文春等利用有限元法對板翅式換熱器釬焊殘余應(yīng)力及其影響進(jìn)行了分析[7，8]。

在高溫工作環(huán)境下，板翅結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力主要來自3方面：板翅結(jié)構(gòu)溫度場分布不均勻造成的應(yīng)力應(yīng)變；由于接管及夾具等隨著溫度的變化具有和板翅換熱器不同的膨脹比，對板翅結(jié)構(gòu)自由度的限制引起形變；焊劑與母材因材料特性(主要是線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù))不同造成的應(yīng)力應(yīng)變。筆者采用ANSYS有限元分析軟件中的熱-應(yīng)力耦合場分析法進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮溫度分布、位移限制及焊縫結(jié)構(gòu)等的影響，研究板翅結(jié)構(gòu)在高溫工況下的強(qiáng)度性能。耦合場分析有順序耦合法和直接耦合法兩種，筆者采用順序耦合法，即在瞬態(tài)熱分析后進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為初始載荷施加在后續(xù)的應(yīng)力分析中實(shí)現(xiàn)耦合。

1 板翅結(jié)構(gòu)熱-應(yīng)力耦合場有限元計(jì)算

1.1釬焊板翅結(jié)構(gòu)二維有限元模型的建立

板翅式換熱器截面結(jié)構(gòu)如圖1所示[9]，翅片為平直形，根據(jù)翅片波紋的周期性選取水平方向的一個翅片單元建立二維模型，為計(jì)算對流換熱對板翅結(jié)構(gòu)溫度分布的影響，在豎直方向上取3層通道，中間一層為熱流體，上、下兩層為冷流體，表1列出了板翅結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，其中焊縫厚度取0.1mm，并盡可能使翅片倒角和焊材坡角接近實(shí)際板翅結(jié)構(gòu)，有限元幾何模型如圖2所示。

圖1 板翅式換熱器截面結(jié)構(gòu)

表1 板翅結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) mm

圖2 板翅結(jié)構(gòu)幾何模型

完成幾何模型的建立后，需要將幾何區(qū)域離散化，即網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性并保證計(jì)算機(jī)資源的合理利用，采取分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法，隔板網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.10mm，焊縫和翅片網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.05mm，并使用refine命令對焊縫區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化。對于板翅結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則的主體部分采用四邊形網(wǎng)格，而焊縫邊緣的尖角部分采用三角形網(wǎng)格劃分(圖3)。

圖3 板翅結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

1.2熱分析過程及強(qiáng)度計(jì)算

對板翅結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，筆者考慮母材、焊料熱物性和力學(xué)性能不匹配的影響，在劃分網(wǎng)格前分別定義母材和焊料屬性。設(shè)定不銹鋼板翅換熱器工作溫度為300℃，隔板和翅片材料為304不銹鋼，釬料為鎳基釬料BNi-2，表2為兩種材料在20、400、900℃時的熱力學(xué)性能參數(shù)[7]，其他溫度下的參數(shù)由ANSYS軟件插值計(jì)算得到。

表2 304不銹鋼和鎳基釬料BNi-2熱力學(xué)性能參數(shù)

傳熱計(jì)算采用對流邊界條件(圖4)，對流換熱系數(shù)可根據(jù)蒸汽強(qiáng)制對流換熱量級取600W/(m2·℃)[10]，熱流體溫度300℃，冷流體溫度296℃，忽略換熱器的冷損，模型上、下端面設(shè)置為絕熱邊界條件，左、右端面為周期邊界條件。

對溫度場求解計(jì)算后重新進(jìn)入前處理，將熱單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，進(jìn)行板翅結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算。讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度，設(shè)置參考溫度為20℃，施加基本物理載荷和邊界條件進(jìn)行求解和后處理。由于板式結(jié)構(gòu)單元x方向上的尺寸與換熱器總體尺寸差較大，忽略該方向上位移的限制作用，位移左右端面采用周期邊界條件。下端面為固定位移約束邊界條件，由于定位螺栓及支架等對換熱器的固定作用，板翅結(jié)構(gòu)在y方向的位移受到了一定的限制，參考文獻(xiàn)[11]中在上端面y方向施加0.02mm位移約束。

圖4 對流邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1溫度分布

圖5所示為翅片結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖，板翅結(jié)構(gòu)最高溫度為299.5℃，出現(xiàn)在熱流體翅片中心截面，最低溫度為296.2℃，出現(xiàn)在上、下端面，流體溫差為4.0℃時，板翅結(jié)構(gòu)最大溫差為3.3℃。翅片溫度分布沿x方向基本相同，表明翅片導(dǎo)熱性能良好，主要熱阻在流體側(cè)。由于幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則且材料存在差異性，翅片與隔板接觸的部分溫度分布不均勻，在y方向坐標(biāo)相同時，熱流體側(cè)越靠近焊角的位置溫度越高，冷流體側(cè)越靠近焊角的位置溫度越低。

圖5 板翅結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

板翅結(jié)構(gòu)的溫度梯度如圖6所示，翅片根部的溫度梯度最大，翅片中部的溫度梯度較小，對于隔板來說同樣是靠近翅根的溫度梯度大于兩側(cè)的。焊縫的溫度梯度在與x方向相同時小于隔板和翅片，根據(jù)分析，這是由于焊料BNi-2的導(dǎo)熱系數(shù)大于不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律可知焊縫的溫度梯度小于隔板和翅片的。

圖6 板翅結(jié)構(gòu)溫度梯度云圖

2.2應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在ANSYS計(jì)算中，通常以Von Mises等效應(yīng)力作為衡量應(yīng)力水平的主要指標(biāo)。圖7為板翅結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布，由于在y方向施加了位移限制，翅片上形成了較大的應(yīng)力，約60～120MPa，隔板所受應(yīng)力較小，最小值為0.2MPa，說明由溫差引起的內(nèi)應(yīng)力較小，與位移限制引起的熱應(yīng)力相比可以忽略不計(jì)。在焊縫處由于釬料與母材性質(zhì)不同，出現(xiàn)了較大的內(nèi)應(yīng)力，與位移引起的應(yīng)力達(dá)到相同的量級。應(yīng)力集中點(diǎn)出現(xiàn)在焊角和翅片根部接觸的位置，達(dá)190MPa，這是由于該點(diǎn)不僅承受由整個板翅結(jié)構(gòu)膨脹引起的垂直方向上的壓力，還承受材料膨脹變形不匹配引起的應(yīng)力，同時該處角度尖銳、受力面積較小也是應(yīng)力變大的原因。

圖7 板翅結(jié)構(gòu)Von Mises等效應(yīng)力分布云圖

為進(jìn)一步研究板翅結(jié)構(gòu)各點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其影響方式，分別選取沿焊縫水平方向、沿翅片豎直方向和沿隔板水平方向3條路徑，并讀取路徑上各點(diǎn)的x、y方向應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力。

2.2.1焊縫處的應(yīng)力分布

圖8所示為路徑1(沿焊縫水平方向)的應(yīng)力曲線，焊縫x方向受拉應(yīng)力，y方向受壓應(yīng)力，兩種應(yīng)力的數(shù)量級相同，均為10～100MPa之間。x方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.5mm附近，該點(diǎn)為焊縫邊緣與隔板交接點(diǎn)，最大應(yīng)力90.5MPa，沿焊縫方向x方向應(yīng)力先減小后增大，與焊縫厚度呈負(fù)相關(guān)性；y方向最大應(yīng)力出現(xiàn)在0.7mm處，即翅片與焊縫垂足的位置，隨著與翅片距離的增加而減小，在遠(yuǎn)離翅片焊縫和隔板位置呈現(xiàn)壓應(yīng)力。這個焊縫的等效應(yīng)力呈邊緣大、中間小的趨勢，在焊縫均勻的位置，應(yīng)力也較均勻，約36MPa。根據(jù)上述結(jié)果判斷，由于材料不同，焊縫產(chǎn)生的應(yīng)力主要作用于x方向，由于位移限制產(chǎn)生的應(yīng)力主要作用于y方向，因此焊縫的危險點(diǎn)出現(xiàn)在邊緣與隔板交接的位置。

圖8 路徑1應(yīng)力曲線

2.2.2沿翅片的應(yīng)力分布

路徑2(沿翅片豎直方向)的應(yīng)力曲線如圖9所示，翅片y方向受壓應(yīng)力作用，x方向受拉應(yīng)力作用，y方向的應(yīng)力遠(yuǎn)大于x方向，因而導(dǎo)致等效應(yīng)力曲線與y方向應(yīng)力曲線趨于重合。板翅結(jié)構(gòu)y方向所受壓力與水平截面有關(guān)，翅片截面積小，受到的壓應(yīng)力較大，隔板截面積大，因而受到的壓應(yīng)力小。x方向應(yīng)力出現(xiàn)兩個峰值和谷值，分別出現(xiàn)在焊縫與翅片、隔板交界的部位，表明該處應(yīng)力變化劇烈。峰值表明受拉應(yīng)力，出現(xiàn)在焊縫上；谷值表明受壓應(yīng)力，出現(xiàn)在隔板和翅片上。

圖9 路徑2應(yīng)力曲線

2.2.3沿隔板水平方向應(yīng)力分析

路徑3(沿隔板水平方向)的應(yīng)力曲線如圖10所示，隔板主要受y方向的壓力，與翅片正對的位置壓力最大，約為45MPa，遠(yuǎn)離翅片的位置減小。x方向上的受力較小，在正對翅片位置為拉應(yīng)力，兩翅片之間受到來自翅片的擠壓作用。

圖10 路徑3應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

3.1板翅式換熱器工作能力不僅受壓力負(fù)荷的限制，工作溫度產(chǎn)生的熱-應(yīng)力耦合的附加影響也不可忽視。

3.2板翅結(jié)構(gòu)在高溫工況下將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引起熱應(yīng)力的主要原因有焊接材料與母材性能不匹配和板翅換熱器的位移限制，前者產(chǎn)生沿翅片方向的壓應(yīng)力，后者主要產(chǎn)生垂直翅片沿焊縫的拉應(yīng)力。

3.3板翅結(jié)構(gòu)根部是溫度梯度最大的地方，而且由于焊接處產(chǎn)生的熱應(yīng)力和焊接結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，是板翅結(jié)構(gòu)的危險點(diǎn)，在釬接時應(yīng)采取一定的補(bǔ)強(qiáng)措施。

[1] 張洪濤，陳懷寧，吳昌忠，等.不銹鋼及其板翅式換熱器釬焊技術(shù)[J].宇航材料工藝，2005，35(4)：12～18.

[2] Kok-Cheong Wong，Sanjiv Indran.Impingement Heat Transfer of a Plate Fin Heat Sink with Fillet Profile[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，65(10)：1～9.

[3] Kai-Long Hsiao.Conjugate Heat Transfer for Free Convection Along a Vertical Plate Fin[J].Journal of Thermal Scienc，2010，19(4)：337～345.

[4] 文鍵，李亞梅，王少華，等.板翅式換熱器板翅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響因素分析[J].低溫工程，2013，(2)：52～59.

[5] 施晨潔，陳亞平，施明恒.板翅式換熱器空氣冷卻側(cè)傳熱性能的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報，2007，28(4)：664～666.

[6] 李海潮，王龍崗.鋁制板翅式換熱器真空釬焊缺陷分析與對策[J].化工機(jī)械，2012，39(5)：667～669.

[7] 蔣文春，鞏建鳴，陳虎，等.不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)釬焊殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，28(3)：224～227.

[8] 蔣文春，鞏建鳴，陳虎，等.不銹鋼板翅結(jié)構(gòu)釬焊殘余應(yīng)力及其影響因素[J].金屬學(xué)報，2008，44(1)：105～111.

[9] 陳長青.低溫?fù)Q熱器[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1990．

[10] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004．

[11] 周幗彥，涂善東，軒福貞，等.釬焊板翅結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布與優(yōu)化研究[J].核動力工程，2010，31(4)：101～105.