基于有限元法的水室靜態特性研究

卞真玉,陳會芳,黃飛

（英格索蘭亞太工程技術中心,江蘇太倉 215400）

0 引 言

水室作為空調換熱系統的重要構成部件之一，在空調換熱過程中起著至關重要的作用，其可靠性會直接影響到機組的穩定性及換熱效率[1]。在傳統的水室設計選型中對其強度的校核多依賴于經驗和公式計算，當水室的結構以及載荷變得復雜時，便增加了計算的不準確性，同時也增大了設計風險。

由于近年來數值計算方法在工程應用中的逐漸成熟，使得其成為一種有效且準確的工程分析手段[2]。葉萌[3]利用有限元法對某型號化工產品的回程水室進行了強度分析；洪增元[4]通過Abaqus軟件對某凝汽器水室進行了強度評定，此外還有其他許多工程技術人員和科研工作者利用有限元法對水室的各方面性能進行了分析[5-12]，對于大型中央空調換熱器水室系統來說,使用有限元法來校核結構的強度不僅可以準確地得到其應力分布，還可以快速地優化水室的設計選型，從而縮短設計周期。本文利用有限元法對某型號冷凝器水室進行了強度分析，研究了相應的設計參數變化對其強度的影響規律，從而為其設計選型提供了重要的參考與指導。

1 水室的計算模型的建立

某型號空調機組冷凝器水室的三維結構模型如圖1所示。其結構主要由鑄造殼體和焊接法蘭組成，在法蘭上開有螺栓孔，通過螺栓與冷凝器連接。水室的材料采用的是鑄鐵，彈性模量大小為99 GPa；泊松比大小為0.3；密度大小為7.3×103kg/m3。

依據壓力容器的設計規范[13]，該型號機組水室的工作壓力為1.03 MPa，工作壓力乘以相對應的安全系數即可得到爆破測試時的壓力大小。在建立有限元計算模型時,可以刪除一些對計算結果影響不大的細小特征[14]，網格采用ANSYS中的高精度Solid187實體單元[15]。在爆破測試時，在水室的入口處添加一塊壓力試驗封板，計算時約束封板的6個自由度。劃分好網格后的網格模型如圖2所示。

圖1 水室三維結構模型

2 計算結果的分析

建立好有限元計算模型后，冷凝器水室在測試壓力大小為5.15 MPa的條件下的主應力分布如圖3所示。從圖3（a）可以看出水室的絕大部分外表面均處于低應力狀態下,最大主應力達到341 MPa，位于靠近小凸臺的圓周面上，此外靠近水管接口的一圈圓周面上，也出現高應力，這是水室強度較為薄弱的區域，應該引起關注。從圖3（b）中可以看出水室內表面均處于低應力狀態下，最大主應力為218 MPa，水室的強度滿足測試要求。

圖2 水室的有限元模型

為了更好地研究水室內部的主應力分布，以水室底部為零點，不同高度上的橫截面最大主應力為縱坐標，得到水室內部橫截面的主應力沿高度方向上的分布如圖4所示。從圖中可以看出水室內部主應力較高區域主要集中在水室中間區域，即水室主壁面與水室接口之間的圓角附近。而靠近焊接法蘭以及水管接口頂部的區域主應力則較小。這與水室內外表面上的主應力分布比較一致。

圖3 水室應力分布圖

圖4 水室內部應力沿高度分布圖

3 水室靜態特性的影響因素分析

3.1 水室壁厚對靜態特性的影響分析

改變水室的厚度來研究壁厚的變化對水室主應力的影響，得到壁厚變化與主應力的關系如圖5所示。從圖中可以看出隨著水室壁厚的增大，水室各部位的主應力都有著明顯的減小，其中近水管接口外表面處的主應力對水室的壁厚變化最敏感，當水室壁厚增加10 mm后，內表面的主應力不再發生較大的變化。因此在設計過程中可以依據實際的加工工藝情況，來適當地增大壁厚，從而增加水室的強度，進而提高產品的可靠性。

圖5 水室壁厚與主應力關系圖

3.2 水管接口高度對靜態特性的影響分析

水管接口高度作為水室的重要設計參數，不僅影響水室的外形，還對水室的強度有著重要的影響。在保持其他設計參數不變的條件下對其進行靈敏度分析得到水管接口高度變化與主應力的關系圖。從圖6中可以看出，隨著接口高度的逐漸增加，水室的各部位主應力也逐漸減小，但減小的幅度并不大，其中水室外表面的主應力對接口高度的變化最為敏感，最大減小量達到10 MPa以上。近水管接口處的主應力幾乎沒有發生變化。當高度增加10 mm后，各部位的主應力不再隨水管高度的增加而發生較大變化。因此可以根據水室在機組中的裝配情況來適當增大接口高度，進而提高水室的靜態特性。

圖6 水管接口高度與主應力關系圖

3.3 圓角半徑對靜態特性的影響分析

主壁面的圓角半徑大小不僅影響水室的制造性能，還對其靜態性能有著重要的影響。圖7為在壁厚為13.5 mm、水管接口高度為31.75 mm的條件下，主壁面圓角半徑與水室最大主應力的關系圖。從圖中可以看出當圓角半徑增大5 mm后,水室各部位最大主應力都有著較為明顯的減小，當圓角半徑繼續增大5 mm后，各部位的主應力均有不同程度的增大，其中外表面最為明顯。因此在設計階段可根據實際工藝水平，將圓角半徑的變化量盡可能的控制在-5～+5 mm范圍內。

圖7 主壁面圓角半徑與主應力關系圖

3.4 法蘭高度對靜態特性的影響分析

保持其他設計參數不變來研究法蘭高度的變化對水室靜態特性的影響，得到法蘭高度與水室最大主應力的關系如圖8所示。從圖8中可以看出當法蘭高度從減小15 mm到增大5 mm時，水室外表面處最大主應力有著明顯的減小，內表面以及靠近水管接口表面出處的主應力也有著小幅度的減小。法蘭的高度選取需參考冷凝器的型號以及實際裝配空間。因此可以適當增大法蘭的高度，從而來提高水室的強度。

圖8 法蘭高度與主應力關系圖

4 結語

1）利用有限元法，建立了水室的有限元計算模型，得到了水室在測試壓力條件下的最大主應力分布云圖，最大主應力為341 MPa,滿足測試要求，并分析了水室內部主應力沿水室高度方向上的變化趨勢。

2）研究了水室壁厚，法蘭高度等重要設計參數對水室靜態性能的影響，得到了設計參數與水室最大主應力的影響關系圖，結果表明：水室壁厚對其靜態特性影響最大；水管接口高度對其靜態特性影響最小；適當提高法蘭高度對水室的靜態特性的提高有著顯著的效果。

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