基于solidworks—simulation的换热容器铸造前端盖应力分析

刘丛丛

【摘 要】建立换热容器前端盖三维模型，对换热器前端盖进行受热及受力情况分析，确定前端盖分析工况，用solidworks软件中simulation模块对前端盖铸件三维模型进行分析，得到前端盖各个工况下应力分布情况，最终得出铸件应力分布云图，对铸件结构的强度是否满足使用要求进行评定。

【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.

【关键词】换热器；前端盖；铸件；SolidWorks；simulation；分析

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

【中图分类号】TH123+.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0103-02

1 引言

换热器是全球多种行业广泛使用的一种通用设备。据有关统计，在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的[1]。而在如今的换热器行业中，批量产品和系列化产品越来越多，为了更加迅速地反映市场，节约加工成本和加工时间，许多生产厂家用铸件代替焊接件，尤其是铸件端盖使用越来越多。而现有的过程设备强度计算软件SW6，只能计算标准形状零部件强度。论文的目的是对换热器的铸造前端盖进行工况分析，并对其进行各个工况强度校核，以便对铸件端盖结构进行优化。

2 三维模型建立

根据要求用solidworks软件对铸件前端盖进行三维建模，基于simulation分析模块使用要求，分析用三维模型的厚度不包括腐蚀裕量，由于全端盖只有内腔接触管侧介质，而管侧腐蚀裕量为1mm，因此将前端盖建模时，前端盖内径Di应在实际基础上加2mm，端盖内腔圆弧半径Ri在实际尺寸基础上加1mm，壁厚δn在实际尺寸基础上减1mm，因前端盖内部的分程筋两侧都与管侧介质接触，所有保持分程筋中心线位置不变，厚度方向上减2mm。

三维模型建好后，需对端盖法兰螺栓孔处进行处理（见图1），用“线分割”功能键分割出施加螺栓力区域，以便在分析过程中添加螺栓力（分割圆大小与弹簧垫圈外径一致）。最后得出处理好的前端盖铸件模型（见图2）。

网格划分，设定单元大小15，模型进行单元划分后，单元总数为460580个，节点总数为694546。划分完后进行单元检查，无畸形单元。

3 工况分析

由于换热器端盖既受管侧热应力作用，又受管侧压力作用，因此铸件前端盖应力分析分为以下三个工况进行：

①在最大工作温度下铸件端盖所受的热分析；

管侧最大工作温度t1=32.7℃，外界环境温度t2=20℃

②在设计压力下铸件端盖所受的静压力分析；

管侧设计压力P=0.7MPa

③在最大工作温度和设计压力共同作用下铸件端盖的应力分析。

管侧设计温度t1=32.7℃，外界环境温度t2=20℃， 管侧工作压力P=0.7MPa。

进出端盖所受载荷示意图如图3所示，是多个独立载荷的组合：作用于管侧内表面的管侧压力；作用于螺栓孔处的螺栓预紧力；作用于垫片接触面的垫片支反力；管侧流体温度作用的温度载荷。

图3中，P1为管程液压，P1=0.5MPa；T1为管程最大工作温度，T1=32.7℃；T2为外界环境温度，T2=20℃；F1为螺栓预紧力，F1=70593N；F2為垫片支反力，此次分析将约束放在垫片接触面上，因此在此次分析中F2=0。

4 有限元分析

用solidworks Simulation 模块进行有限元分析前，需对端盖铸件材料进行编辑，此次分析的端盖材料为QT400—18R，其中许用应力的设置参照标准TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》进行。

4.1 热分析

论文的热分析模型采用稳态的对流传热和热传导两种方式进行分析[2]。通过以上分析，加入温度载荷以后求得温度场分布如图4所示。

4.2 静应力分析

第一步，需先设定约束，因进出端盖与换热器其余部件接触面在垫片接触区域，因此选定垫片接触面作为约束面，根据进出端盖实际安装情况，约束进出端盖垫片接触面平移方向及圆周方向的运动；第二步，设定力的大小以及力的作用面、作用方向，在分析工况2时，只设定静压力，分析工况3时，在工况2的基础上添加算例1的热载荷。最后得出铸件进出端盖等值应力强度云图。

5 应力评定

观察铸件进出端盖等值应力强度云图可知，工况2中，进出端盖最大应力值等于13.7MPa，工况3中，进出端盖最大应力值等于15.6MPa，而QT400—18R在该工作条件下许用应力为50MPa，因此工况2、工况3最大应力值均小于进出端盖材料许用应力值，故可判定此结构安全。

6 结语

从以上对换热器铸件进出端盖的有限元分析可以看出来，铸件端盖是可以满足换热器正常工作所需的强度要求的。因此可以看出来，有限元分析可以对换热器中的非标件进行较为准确的强度校核，并且可以直观地观察到工件的最大应力值点——危险点。但是在有限元分析的过程中需注意以下几点：

①在建模过程中需考虑腐蚀裕量，系统不能自动对腐蚀裕量进行处理。

②对材料参数的输入一定要准确，并且注意参数的单位。整个分析是建立在材料物理性能的基础上进行的，材料的错误会导致整个分析结果的错误。

③不能忽略热载荷的作用，尤其是高温的工作环境。

【参考文献】

【1】支浩，汤慧萍，朱纪磊.换热器应用与发展前景[J].化工进展，2009，28（s1）：338-342.

【2】盖超会，肖健，谢小恒，等.基于ANSYS换热器法兰有限元分析及应力评定[J].当代化工，2014（43）：2.