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        基于ANSYS對印刷電路板換熱器肋板應(yīng)力分析

        2021-11-02 08:38:50楊志鋒曲瑞波
        化工裝備技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:肋板換熱器薄膜

        楊志鋒 曲瑞波 梁 晨

        (中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究)

        0 引言

        印刷電路板式換熱器通過真空擴(kuò)散焊接加工而成,其特點(diǎn)為換熱效率高、耐高溫、耐高壓且結(jié)構(gòu)緊湊,在油氣平臺、LNG液化、核電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前印刷電路板換熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通用的工程計算方法是以ANSYS軟件為基礎(chǔ)的分析設(shè)計法。印刷電路板式換熱器肋板是承受應(yīng)力最大的地方,也是整個結(jié)構(gòu)的受力薄弱點(diǎn)。本文以ANSYS軟件為基礎(chǔ),研究了不同通道結(jié)構(gòu)形式、不同網(wǎng)格大小和不同肋寬等因素對印刷電路板式換熱器肋板應(yīng)力的影響,可為后續(xù)印刷電路板式換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

        1 設(shè)計參數(shù)及力學(xué)模型

        1.1 設(shè)計參數(shù)

        本文中印刷電路板式換熱器分析對象的設(shè)計參數(shù)及材料力學(xué)性能可見表1。

        表1 設(shè)計參數(shù)及材料力學(xué)性能

        1.2 力學(xué)模型及邊界條件

        印刷電路板換熱器是采用擴(kuò)散焊技術(shù)將加工好通道的薄板一層一層疊加起來的高效換熱器,其整體和其局部結(jié)構(gòu)示意可見圖1和圖2。

        圖1 芯體整體結(jié)構(gòu)示意

        圖2 芯體單片結(jié)構(gòu)示意圖

        本文基于ANSYS軟件經(jīng)典界面分別建立平行通道、正交通道和矩形通道三種力學(xué)模型,詳見圖3~圖5。

        圖3 圓形通道力學(xué)模型(平行)

        圖5 矩形通道力學(xué)模型

        考慮極限載荷,低壓處壓力為0,高壓為設(shè)計壓力p=12 MPa。模型縱向一側(cè)截面施加等效拉應(yīng)力,另一側(cè)截面施加縱向位移約束;模型橫向一側(cè)截面施加等效拉應(yīng)力,另一側(cè)截面施加橫向位移約束;模型對稱面施加法向位移約束。邊界條件示意圖可見圖6。

        圖6 施加邊界條件示意圖

        圖4 圓形通道力學(xué)模型(正交)

        2 結(jié)果分析及強(qiáng)度評定

        2.1 薄膜應(yīng)力對比

        芯體肋板處薄膜應(yīng)力的解析計算方法如下:

        式中:p——設(shè)計壓力;

        h——通道寬度;

        t——肋寬;

        Sm——薄膜應(yīng)力;

        Sb——彎曲應(yīng)力。

        采用ANSYS軟件對上述三種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算,并沿肋板寬度進(jìn)行應(yīng)力線性化獲得其薄膜應(yīng)力Sm,并與解析值進(jìn)行對比,對比結(jié)果可見表2。

        表2 不同結(jié)構(gòu)薄膜應(yīng)力與解析解比較

        通過表2可以看出,圓形正交通道誤差最小為4.4%,圓形通道芯體結(jié)構(gòu)相對于矩形結(jié)構(gòu)更可靠。從設(shè)計角度考慮,前期設(shè)計階段可以采用解析解確定肋板寬度,并采用有限元軟件對其進(jìn)行詳盡的應(yīng)力分析,結(jié)果可為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

        2.2 網(wǎng)格尺寸結(jié)果對比

        以圓形通道力學(xué)模型為研究對象,選取5種網(wǎng)格尺寸對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并獲得不同網(wǎng)格尺寸下的單元數(shù)量,網(wǎng)格單元類型為SOLID185。對其進(jìn)行應(yīng)力計算,獲得不同網(wǎng)格尺寸下的肋板薄膜應(yīng)力大小,詳見表3。

        表3 不同單元網(wǎng)格尺寸與薄膜應(yīng)力關(guān)系

        通過不同單元網(wǎng)格尺寸下肋板薄膜應(yīng)力比較可以看出,隨著單元網(wǎng)格尺寸減小,肋板處薄膜應(yīng)力趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)格尺寸與肋板寬度的比值由40%減小到20%時,單元網(wǎng)格數(shù)量增加7倍以上,薄膜應(yīng)力相差0.71 MPa。綜合考慮計算精度和計算規(guī)模,單元網(wǎng)格尺寸占肋寬比例約為40%。

        2.3 肋板寬度對比

        以圓形通道為例,選取肋板寬度為0.55、0.5、0.45、0.4 mm四種尺寸來研究設(shè)計工況下肋板薄膜應(yīng)力的變化情況。對四種力學(xué)模型進(jìn)行計算,將沿肋板寬度方向應(yīng)力線性化處理獲得其薄膜應(yīng)力,應(yīng)力大小隨肋寬的變化趨勢可見圖7。從圖7可以看出,肋板寬度與薄膜應(yīng)力呈線性關(guān)系,薄膜應(yīng)力隨著肋寬增大而減小。

        圖7 不同肋寬下的薄膜應(yīng)力

        2.4 強(qiáng)度評定

        根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計規(guī)范》(2005確認(rèn))中應(yīng)力評定的相關(guān)規(guī)定,主應(yīng)力差為:

        式中:σ1,σ2,σ3——主應(yīng)力;

        σ12,σ23,σ31——主應(yīng)力差;

        S——采用應(yīng)力強(qiáng)度。

        總體一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為S,局部一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5S,一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度極限為1.5S,一次薄膜應(yīng)力強(qiáng)度加二次應(yīng)力強(qiáng)度極限為3.0S。

        對肋板寬為0.55 mm結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計算結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力線性化及應(yīng)力強(qiáng)度評定,其總體應(yīng)力云圖可見圖8 ,線性化路徑可見圖9,評定結(jié)果可見表4。

        表4 不同肋板厚度下肋板應(yīng)力強(qiáng)度評定

        圖8 總體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        圖9 線性化路徑

        通過對肋板應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果可以判斷,肋板強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計要求。

        3 結(jié)論

        基于ANSYS軟件對印刷電路板式換熱器應(yīng)力分析,可以得出如下結(jié)論:

        (1)當(dāng)芯體相同而通道結(jié)構(gòu)形式不同時,圓形通道肋寬相對于矩形通道肋寬可承受的應(yīng)力強(qiáng)度更大。通過與解析解進(jìn)行比較,針對圓形通道結(jié)構(gòu),工程設(shè)計前期可以參考解析解來確定肋寬,然后通過仿真計算對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

        (2)有限元模型網(wǎng)格尺寸大小對結(jié)果影響較大。當(dāng)單元網(wǎng)格劃分越細(xì)時,獲得的結(jié)果越精確,當(dāng)單元網(wǎng)格大小占肋寬比例約為40%時,計算精度和計算效率都較高。

        (3)肋寬對肋板薄膜應(yīng)力起決定性作用,不同肋寬對肋板薄膜應(yīng)力影響較大,隨著肋寬不斷增大,肋板薄膜應(yīng)力逐漸減小,并且呈線性關(guān)系變化。同時可以通過應(yīng)力強(qiáng)度評定,確保結(jié)構(gòu)滿足相關(guān)設(shè)計要求。

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