基于有限元法的水室静态特性研究

2018-05-16卞真玉陈会芳黄飞

机械工程师 2018年4期

卞真玉,陈会芳,黄飞

（英格索兰亚太工程技术中心,江苏太仓 215400）

0 引言

水室作为空调换热系统的重要构成部件之一，在空调换热过程中起着至关重要的作用，其可靠性会直接影响到机组的稳定性及换热效率[1]。在传统的水室设计选型中对其强度的校核多依赖于经验和公式计算，当水室的结构以及载荷变得复杂时，便增加了计算的不准确性，同时也增大了设计风险。

由于近年来数值计算方法在工程应用中的逐渐成熟，使得其成为一种有效且准确的工程分析手段[2]。叶萌[3]利用有限元法对某型号化工产品的回程水室进行了强度分析；洪增元[4]通过Abaqus软件对某凝汽器水室进行了强度评定，此外还有其他许多工程技术人员和科研工作者利用有限元法对水室的各方面性能进行了分析[5-12]，对于大型中央空调换热器水室系统来说,使用有限元法来校核结构的强度不仅可以准确地得到其应力分布，还可以快速地优化水室的设计选型，从而缩短设计周期。本文利用有限元法对某型号冷凝器水室进行了强度分析，研究了相应的设计参数变化对其强度的影响规律，从而为其设计选型提供了重要的参考与指导。

1 水室的计算模型的建立

某型号空调机组冷凝器水室的三维结构模型如图1所示。其结构主要由铸造壳体和焊接法兰组成，在法兰上开有螺栓孔，通过螺栓与冷凝器连接。水室的材料采用的是铸铁，弹性模量大小为99 GPa；泊松比大小为0.3；密度大小为7.3×103kg/m3。

依据压力容器的设计规范[13]，该型号机组水室的工作压力为1.03 MPa，工作压力乘以相对应的安全系数即可得到爆破测试时的压力大小。在建立有限元计算模型时,可以删除一些对计算结果影响不大的细小特征[14]，网格采用ANSYS中的高精度Solid187实体单元[15]。在爆破测试时，在水室的入口处添加一块压力试验封板，计算时约束封板的6个自由度。划分好网格后的网格模型如图2所示。

图1 水室三维结构模型

2 计算结果的分析

建立好有限元计算模型后，冷凝器水室在测试压力大小为5.15 MPa的条件下的主应力分布如图3所示。从图3（a）可以看出水室的绝大部分外表面均处于低应力状态下,最大主应力达到341 MPa，位于靠近小凸台的圆周面上，此外靠近水管接口的一圈圆周面上，也出现高应力，这是水室强度较为薄弱的区域，应该引起关注。从图3（b）中可以看出水室内表面均处于低应力状态下，最大主应力为218 MPa，水室的强度满足测试要求。

图2 水室的有限元模型

为了更好地研究水室内部的主应力分布，以水室底部为零点，不同高度上的横截面最大主应力为纵坐标，得到水室内部横截面的主应力沿高度方向上的分布如图4所示。从图中可以看出水室内部主应力较高区域主要集中在水室中间区域，即水室主壁面与水室接口之间的圆角附近。而靠近焊接法兰以及水管接口顶部的区域主应力则较小。这与水室内外表面上的主应力分布比较一致。

图3 水室应力分布图

图4 水室内部应力沿高度分布图

3 水室静态特性的影响因素分析

3.1 水室壁厚对静态特性的影响分析

改变水室的厚度来研究壁厚的变化对水室主应力的影响，得到壁厚变化与主应力的关系如图5所示。从图中可以看出随着水室壁厚的增大，水室各部位的主应力都有着明显的减小，其中近水管接口外表面处的主应力对水室的壁厚变化最敏感，当水室壁厚增加10 mm后，内表面的主应力不再发生较大的变化。因此在设计过程中可以依据实际的加工工艺情况，来适当地增大壁厚，从而增加水室的强度，进而提高产品的可靠性。

图5 水室壁厚与主应力关系图

3.2 水管接口高度对静态特性的影响分析

水管接口高度作为水室的重要设计参数，不仅影响水室的外形，还对水室的强度有着重要的影响。在保持其他设计参数不变的条件下对其进行灵敏度分析得到水管接口高度变化与主应力的关系图。从图6中可以看出，随着接口高度的逐渐增加，水室的各部位主应力也逐渐减小，但减小的幅度并不大，其中水室外表面的主应力对接口高度的变化最为敏感，最大减小量达到10 MPa以上。近水管接口处的主应力几乎没有发生变化。当高度增加10 mm后，各部位的主应力不再随水管高度的增加而发生较大变化。因此可以根据水室在机组中的装配情况来适当增大接口高度，进而提高水室的静态特性。

图6 水管接口高度与主应力关系图

3.3 圆角半径对静态特性的影响分析

主壁面的圆角半径大小不仅影响水室的制造性能，还对其静态性能有着重要的影响。图7为在壁厚为13.5 mm、水管接口高度为31.75 mm的条件下，主壁面圆角半径与水室最大主应力的关系图。从图中可以看出当圆角半径增大5 mm后,水室各部位最大主应力都有着较为明显的减小，当圆角半径继续增大5 mm后，各部位的主应力均有不同程度的增大，其中外表面最为明显。因此在设计阶段可根据实际工艺水平，将圆角半径的变化量尽可能的控制在-5～+5 mm范围内。

图7 主壁面圆角半径与主应力关系图

3.4 法兰高度对静态特性的影响分析

保持其他设计参数不变来研究法兰高度的变化对水室静态特性的影响，得到法兰高度与水室最大主应力的关系如图8所示。从图8中可以看出当法兰高度从减小15 mm到增大5 mm时，水室外表面处最大主应力有着明显的减小，内表面以及靠近水管接口表面出处的主应力也有着小幅度的减小。法兰的高度选取需参考冷凝器的型号以及实际装配空间。因此可以适当增大法兰的高度，从而来提高水室的强度。