基于SolidWorks Simulation固定管板式换热器热应力分析

摘要：固定管板式换热器的热应力分析具有相当的复杂性。本文将SolidWorks Simulation有限元分析模块和So1idworks三维建模软件结合，提出了一种进行换热器的热应力分析的新方法，并给出了其在固定管板式换热器应力分析中的应用实例。文中给出了实现应力分析所涉及的主要技术方法和详细步骤。
关键词：固定管板式换热器，热应力，SolidWorks Simulation，So1idworks，FFE

固定管板式换热器是应用非常广泛的管壳式换热器。由于制造温度和工作温度不同，筒体及换热管在温差下会产生热膨胀变形差。对未装设弹性膨胀节的换热器，因管板将简体和换热管连成一体，为协调两者的变形差，必须使膨胀量大的材料受压缩，以缩短其自由膨胀的尺寸；膨胀量小的材料受拉伸，以延长其自由膨胀尺寸，从而使简体及换热管间出现温差应力。温差应力大小不仅与材料的平均线膨胀系数B、材料的弹性模量E及温差△t有关，而且与换热器本身结构相关，要精确计算其热力场及温差应力是非常困难的，目前相关标准中的计算方法都是在简化、假设的条件下计算的，不能精确反映温差应力的分布。本文从有限元角度，运用SolidWorks Simulation有限元分析模块和三维建模软件相结合的方法来分析计算固定管板式换热器的热应力即温差应力。

SolidWorks Simulation及其热应力分析原理

SolidWorks Simulation是为Solidworks三维建模软件开发的无缝集成有限元分析模块，SolidWorks Simulation是当今世上最快的有限元分析软件，采用的是快速有限元算法（FFE）技术。快速有限元算法（FFE）是工程设计分析人员的分析利器。快速有限元算法中图形化的操作界面可直观地划分网格单元、定义边界载荷条件及快速地求解计算结果，其分析结果与理论结果十分相近。SRAC公司的快速有限元算法（FFE）模块除了速度快之外，还会针对不同分析问题，自动选择正确的求解器来求解。另外它提供预警功能，在正式解题之前，快速有限元算法首先会检查待分析的模型是否完全定义，否则快速有限元算法将停止计算，使计算机不必浪费时间来做无谓的运算；并且在解题之前，快速有限元算法会自动评估磁盘空间，判断磁盘空间是否足够用来分析工程模型。在分析过程中，快速有限元算法亦会显示计算进度及计算时间，以方便了解求解的进度。

热效分析模块用来分析稳态和瞬态加热条件如对流、传导和辐射问题（二维和三维），计算温度，温度梯度和热流，解算模拟场应用。在换热器的热应力分析中主要热力来源是热传导。热传导就是热能通过介质的原子或分子从一点传到另一点的传热方式，热传导的介质包括固体、液体和气体。通过一平板的热传导的速率与传热面积、温度梯度成正比与板厚成反比。

2、SolidWorks Simulation热应力分析方法

在Solidworks2004的装配环境中进行热应力分析，首先必须创建一个三维实体装配模型，并根据实际情况在各零部件之间施加完整的装配约束。如果安装了SolidWorks Simulation模块，在工具栏的插件菜单中选中SolidWorks Simulation，SolidWorks Simulation菜单便出现在主菜单栏，同时SolidWorks Simulation特征树选项卡出现在左侧窗口中，如图1所示。SolidWorks Simulation热应力分析流程和实现方法如图2所示。

其中主要技术包括：

2.1 建立研究对象

在菜单中单击研究或选择模型名称右键单击研究，出现如图3所示界面，确定研究名称、分析类型和网格类型。分析类型有静态、频率、扭曲、热力和优化。不同的分析类型的研究类型如表1。

2．2 实体材质应用

材质应用来源有Solidworks材质、自定义、Center库和自库文件。当选择自定义时，可以在图4的右侧确定相关参数。

2.3 定义载荷与约束条件

载荷与约束条件的定义与研究类型相关，如热力研究的载荷与约束包括以下类型：温度、对流、热流量、热量和辐射，根据模型具体工作条件可以定义一种类型和多个类型的载荷联合作用；静态研究的载荷与约束包括：约束、压力、力、引力、离心力、远程载荷、轴承载荷、接头和温度。

2.4 有限元网格的生成

网格生成过程包括三个过程评估几何条件、处理边界和网格生成。在网格生成之前，最好进行优先级参数设置，主要有单位设置、网格参数（品质、网格器类型、网格控制、环数等）、解算器以及输出和图解的相关参数的定义。SolidWorks Simulation网格的划分很智能化，如果几何条件检验和边界处理不能满足条件系统会给出错误原因。如果网格划分失败，会自动调整网格大小进行二次划分。正确合理地确定网格大小是很重要的。

2.5 求解

在求解前先要确定求解参数，也就是研究对象的属性参数，根据不同的类型其参数不一样。如静态研究的参数主要有：缝隙/接触的摩擦定义、解算器的选择、p-适应性定义、流动/热力效应定义等。

3、应用实例

现对某换热器进行三维建模和分析计算，该换热器筒体长2800mm，直径245mm，壳体壁厚5mm，封头为球型封头，壁厚14mm，管板厚度65mm，换热管φ16x3不锈钢内拉毛管72根。筒体、换热管、管板材质分别为16MnR、0Cr18Ni9、20MnMo。工况参数见表2。

3.1三维模型的建立

（1）在Solidworks2004中创建各零件的三维模型，主要零件有筒体、封头、换热管、管板和折流板。因通体、封头和管板是全焊透连接，建模时作为一个零件。

（2）由零件三维模型在Solidworks2004中创建整个设备的三维装配模型。

传统的分析方法是分离成多个问题来解决：拆散装配体、人工计算每个零件所受的反力，然后分开分析各个零件。缺点是明显的，没有装配的特性、没有零件和零件的相互作用、繁琐的人工处理过程，费时费力。而在SolidWorks Simulation是直接对装配体分析，整体地划分单元网格，只需在装配体上指定整体载荷和边界条件，可赋予各个零件不同的材料性质，只一次进行求解。用这样方法容易定义问题，从而快速分析装配体，并获得精确的分析结果。

创建三维装配模型时应按实际情况施加装配约束关系。为了提高运算效率，考虑换热管分布情况，运用对称结构方法沿轴向取1/3换热器结构。

3.2分析

按照前述方法进行分析参数设置。（1）建立热力（Transfer_C）和静态研究（Transfer），网格为实体网格。（2）材质根据实际工况自定义。（3）定义载荷和约束条件。按实际工况设置热力研究温度载荷，即与壳程介质接触的零件表面温度问壳程温度，与管程介质接触的零件表面温度问管程温度。压力载荷在静态研究中定义，方法同温度一样。零件之间的相互约束按照定义的相接触条件直接定义，整个装配体的约束有取出的两个对称面在一个平面内，取封头的任一顶点固定。（4）网格生成（如图5）。

3．2．1热力分析

以上参数定义后，先进行热力分析运算。

3．2．2热应力分析

在应力分析时，采用FFEPlus解算器，包含热力效果。不考虑压力作用运行结果如图7、8，考虑压力作用运行结果如图9、10所示：其余结果见表3。

>4 结论

本文运用SolidWorks Simulation仿真模块和So1idworks三维建模软件相结合的方法，对固定管板式换热器的热应力分析进行了新的尝试。

实例分析显示，运用本文所提出的分析方法可较为方便地实现固定管板式换热器的热应力和应变的分析，分析结果反映出热应力很大，成为影响设备安全的主要因素，最大应力植与应力分布与理论分析一致。分析结果直观、形象。本方法适用于各类换热器的热应力分析。

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