基于solidworks—simulation的換熱容器鑄造前端蓋應力分析

劉叢叢

【摘 要】建立換熱容器前端蓋三維模型，對換熱器前端蓋進行受熱及受力情況分析，確定前端蓋分析工況，用solidworks軟件中simulation模塊對前端蓋鑄件三維模型進行分析，得到前端蓋各個工況下應力分布情況，最終得出鑄件應力分布云圖，對鑄件結構的強度是否滿足使用要求進行評定。

【Abstract】Through the establishment of 3 d model of front cover of heat exchanger，make heating and force analysis of front cover of the heat exchanger to determine the working condition of the front cover. Using the simulation module in SolidWorks software to analyze the three-dimensional model of the front cover casting， the stress distribution of the front cover can be obtained under various working conditions. Finally， the stress distribution nephogram of the casting is obtained， and the strength of the casting structure is evaluated.

【關鍵詞】換熱器；前端蓋；鑄件；SolidWorks；simulation；分析

【Keywords】 heat exchanging；front cover；casting；Solidworks；simulation；analysis

【中圖分類號】TH123+.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）04-0103-02

1 引言

換熱器是全球多種行業廣泛使用的一種通用設備。據有關統計，在現代化學工業中換熱器的投資大約占設備總投資的30%，在煉油廠中占全部工藝設備的40%左右，海水淡化工藝裝置則幾乎全部是由換熱器組成的[1]。而在如今的換熱器行業中，批量產品和系列化產品越來越多，為了更加迅速地反映市場，節約加工成本和加工時間，許多生產廠家用鑄件代替焊接件，尤其是鑄件端蓋使用越來越多。而現有的過程設備強度計算軟件SW6，只能計算標準形狀零部件強度。論文的目的是對換熱器的鑄造前端蓋進行工況分析，并對其進行各個工況強度校核，以便對鑄件端蓋結構進行優化。

2 三維模型建立

根據要求用solidworks軟件對鑄件前端蓋進行三維建模，基于simulation分析模塊使用要求，分析用三維模型的厚度不包括腐蝕裕量，由于全端蓋只有內腔接觸管側介質，而管側腐蝕裕量為1mm，因此將前端蓋建模時，前端蓋內徑Di應在實際基礎上加2mm，端蓋內腔圓弧半徑Ri在實際尺寸基礎上加1mm，壁厚δn在實際尺寸基礎上減1mm，因前端蓋內部的分程筋兩側都與管側介質接觸，所有保持分程筋中心線位置不變，厚度方向上減2mm。

三維模型建好后，需對端蓋法蘭螺栓孔處進行處理（見圖1），用“線分割”功能鍵分割出施加螺栓力區域，以便在分析過程中添加螺栓力（分割圓大小與彈簧墊圈外徑一致）。最后得出處理好的前端蓋鑄件模型（見圖2）。

網格劃分，設定單元大小15，模型進行單元劃分后，單元總數為460580個，節點總數為694546。劃分完后進行單元檢查，無畸形單元。

3 工況分析

由于換熱器端蓋既受管側熱應力作用，又受管側壓力作用，因此鑄件前端蓋應力分析分為以下三個工況進行：

①在最大工作溫度下鑄件端蓋所受的熱分析；

管側最大工作溫度t1=32.7℃，外界環境溫度t2=20℃

②在設計壓力下鑄件端蓋所受的靜壓力分析；

管側設計壓力P=0.7MPa

③在最大工作溫度和設計壓力共同作用下鑄件端蓋的應力分析。

管側設計溫度t1=32.7℃，外界環境溫度t2=20℃， 管側工作壓力P=0.7MPa。

進出端蓋所受載荷示意圖如圖3所示，是多個獨立載荷的組合：作用于管側內表面的管側壓力；作用于螺栓孔處的螺栓預緊力；作用于墊片接觸面的墊片支反力；管側流體溫度作用的溫度載荷。

圖3中，P1為管程液壓，P1=0.5MPa；T1為管程最大工作溫度，T1=32.7℃；T2為外界環境溫度，T2=20℃；F1為螺栓預緊力，F1=70593N；F2為墊片支反力，此次分析將約束放在墊片接觸面上，因此在此次分析中F2=0。

4 有限元分析

用solidworks Simulation 模塊進行有限元分析前，需對端蓋鑄件材料進行編輯，此次分析的端蓋材料為QT400—18R，其中許用應力的設置參照標準TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》進行。

4.1 熱分析

論文的熱分析模型采用穩態的對流傳熱和熱傳導兩種方式進行分析[2]。通過以上分析，加入溫度載荷以后求得溫度場分布如圖4所示。

4.2 靜應力分析

第一步，需先設定約束，因進出端蓋與換熱器其余部件接觸面在墊片接觸區域，因此選定墊片接觸面作為約束面，根據進出端蓋實際安裝情況，約束進出端蓋墊片接觸面平移方向及圓周方向的運動；第二步，設定力的大小以及力的作用面、作用方向，在分析工況2時，只設定靜壓力，分析工況3時，在工況2的基礎上添加算例1的熱載荷。最后得出鑄件進出端蓋等值應力強度云圖。

5 應力評定

觀察鑄件進出端蓋等值應力強度云圖可知，工況2中，進出端蓋最大應力值等于13.7MPa，工況3中，進出端蓋最大應力值等于15.6MPa，而QT400—18R在該工作條件下許用應力為50MPa，因此工況2、工況3最大應力值均小于進出端蓋材料許用應力值，故可判定此結構安全。

6 結語

從以上對換熱器鑄件進出端蓋的有限元分析可以看出來，鑄件端蓋是可以滿足換熱器正常工作所需的強度要求的。因此可以看出來，有限元分析可以對換熱器中的非標件進行較為準確的強度校核，并且可以直觀地觀察到工件的最大應力值點——危險點。但是在有限元分析的過程中需注意以下幾點：

①在建模過程中需考慮腐蝕裕量，系統不能自動對腐蝕裕量進行處理。

②對材料參數的輸入一定要準確，并且注意參數的單位。整個分析是建立在材料物理性能的基礎上進行的，材料的錯誤會導致整個分析結果的錯誤。

③不能忽略熱載荷的作用，尤其是高溫的工作環境。

【參考文獻】

【1】支浩，湯慧萍，朱紀磊.換熱器應用與發展前景[J].化工進展，2009，28（s1）：338-342.

【2】蓋超會，肖健，謝小恒，等.基于ANSYS換熱器法蘭有限元分析及應力評定[J].當代化工，2014（43）：2.