焊接板式换热器连接板热应力有限元分析
摘要：利用ANSYS8.0有限元程序对全焊接板式换热器连接板温度场进行二维数值模拟计算，并用热-结构耦合法计算连接板的热应力，获得了连接板的两向应力（X向和Y向应力）及Mises等效应力，为连接板的设计及变形分析提供理论依据。
前言
传统的散装式板式换热器(可拆卸式板式换热器)，由于本身结构的局限性，使用压力不超过 2.5MPa，使用温度不超过250℃，最大组装面积 2000m 3，另外还存在橡胶密封垫在高温下容易失效的缺陷以及在某些特定介质中的应用问题一直未能得到解决。因此，为了提高板式换热器的使 用温度和压力，扩大其使用范围，国内外陆续开发、制造并使用了多种焊接板式换热器。这些焊 接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、 动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。
众所周知钢板越薄，传热效果就越好，但是钢板太薄会给制造加工带来很大的困难，尤其是在焊接时。薄板的对接焊缝易烧穿无法成型。在全焊接板式换热器当中就存在这样的问题。在全焊接板式换热器中由于管侧端板为δ=20mm的 0Cr18Ni9的钢板，而换热器板片的板厚仅为 0.4—1.0mm，因此管侧端板母材焊接加热温度达到熔化点时，传热板片已熔化掉了一大片，根本无法进行焊接。如果将传热板片的板厚加厚（如 改为1.2mm以上），则不存在上述困难，但是为 了获得良好的传热效果，决定不改变板厚，而是 在管侧端板和板束之间加焊了一层δ=3—4mm按板束翼端连接处实际形状制造的连接板解决了上述问题。因此连接板既要和板束焊接又要与管侧端板焊接，从而产生较大的热变形,给设计和制造工作带来很多麻烦，因此对连接板的热应力分析显得尤为重要。本文利用ANSYS软件不仅对连 接板的温度场做了计算，而且采用热应力耦合单元对热应力作了进一步分析。在生产实践中，该方法可提供了控制连接板热变形的理论依据。
1.连接板温度场的边值问题
1.1热微分方程式
焊接热过程取决于外加热源的分布形式，材料的热物理性能以及材料与周围的换热。连接板的传热问题是二维问题。为了简化计算作如下的基本假设：
（1）温度场是稳态；
（2）连接板材料性质不随温度变化；
（3）焊接板材料为各向同性材料。
温度T（x,y,t）作为平面坐标（x,y）与时间t的函数，揭示热传导和温度场内在规律的数学工具是Laplace热传导方程：
式中：λ——材料的导热系数[J/(cm·s·℃)]
c——比热容[J/(g·℃)]；
ρ——密度（g/cm3）
1.2热源热量计算
W =UIt（2）
式中：U——焊接电压；
I——焊接电流；
2.边值问题的数值求解
2.1建立几何模型，划分网格利用ANSYS软件的前处理程序PREP7，经过单元类型选择，材 料参数的确定，几何建模，单元生成等步骤，建立连接板温度场的有限元模型，并对有限元的模型进行网格划分。本文采用 plane55四节点四边形轴对称单元自底向上的建摸方法建立有限元模型，共有233个节点，188个单元。有限元模型网格图如图1所示：
2.2 加载和求解
通过定义分析类型，分析选向，载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。添加载荷数据后，ANSYS软件将自动求解，并将结果保存在文件中。
2.3 后处理
可以通过友好的用户图形界面获得求解过程的计算结果，并对这些结果进行计算。这些计算结果包括位移，温度，应力等，输出形式有图形显示和数据列表两种。后处理访问数据的方法有两种：
一是通用后处理器POST1检查整个模型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；二是时间历程后处理器POST26，跨多个数据集检查选择的部分模型数据。
3.典型实例分析
本文连接板数据如下：宽度：30mm；长度 2170 mm；材料：0Cr18Ni9；弹性摸量：6.96E+11 Gpa；热膨胀系数:17.3E-6；热导率:１５w/m·℃； 熔点:1398－1453℃；泊松比:０.３；环境温度:室 温:20℃
3.1温度场计算与分析
本例是对温度场的计算，所以基本数据是节点的温度数据．由于材料的各向同性及对称性，本文取整板的1/8作为研究对象。温度场云图如图2：
3.2 热应力计算
本文用热－结构耦合法，采用plane42轴对称单元进行热应力计算，后处理采用一般后处理器post1。分析结果包括连接板的Ｘ向应力、Ｙ向应力和等效应力，应力场云图分别由以下：图3，图4，图5所示：
3.3 结果分析
从上面云图中可以清楚的看出热应力的最大 点所在，从温度场云图中可看出在该处的温度值 及变化情况。正是由于该处温度变化较大，温度 梯度大，从而造成了较大的热应力。
４结论
通过ANSYS分析，从温度场云图及应力场 云图可以直接看出温度的变化情况和最大应力的 位置，这些位置也是在设计和制造连接板的薄弱 环节。
利用ANSYS软件耦合计算连接板的温度场和应 力场，提高了计算精度，计算结果可作为连接板 的设计和计算理论依据，而且这种计算方法在工 程实际中也能得到广泛的应用。
参考文献
[1]Ansys．热分析指南．美国Ansys公司北京办 事处，2000；
[2]冶金工业部．合金钢钢种手册（第一册）．冶金工业出版社，1983：
[3]丁皓江．弹性和塑性力学中的有限元法．北 京：机械工业出版社，1989：
[4]刘羽辉．金属材料物理性能检验标准工作手 册．技术标准出版社，1982：
[5]仇铣．金属材料实用手册．辽宁人民出版社， 1980：
[6]章应霖主编．焊接结构工程．北京：水利电 力出版社，1995：
