ANSYS 软件对板式换热器结构强度的分析

李安军，宫 兵，王宝林，李 建，刘雅雯，陈晓庆

（1. 甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070；2. 海军驻重庆舰船动力军事代表室，重庆 402260； 3. 金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737104）

框架结构是板式换热器的重要组成部分，板体、横梁及螺杆的强度直接影响换热器的工作范围和使用寿命。压紧板的厚度、横梁的结构、夹紧螺栓等部件的设计计算是较为重要的环节[1]，要进行理论计算或数值计算以确定所选结构强度是否达到要求。下面就应用Ansys 软件以一台BR06 板式换热器的框架结构作为模型，对水压试验时的受力情况进行计算，得出整体结构的变形及受力分布云图。

Ansys 是大型的有限元分析软件，在各个行业中广泛应用，它的基本功能是：结构静力学分析、动力学分析、传热分析、计算流体力学分析、声场分析等。ANSYS 软件越来越多的应用到板式换热器的结构分析计算中，为板式换热器的结构开发和优化设计提供了重要依据[2]。

1 计算步骤

1.1 问题分析

板式换热器框架的主要由固定板体、活动板体、上下导杆、前置杆及夹紧螺杆组成，就是一台完整的设备除板片和胶垫之外的部分。图1 为这台换热器的CAD 模型。

图1 板式换热器模型Fig.1 The model of PHE

已知板体厚度60 mm，夹紧螺栓为M36，设计压力1.0 MPa，液压试验压力1.3 MPa。框架结构的材料均为碳素钢，弹性模量E=2.06×1 011 Pa；泊松比为0.26。

整个问题属于静力学问题，用Ansys 的结构受力分析模块。对于一个线性静态结构分析（Linear Static Analysis），位移{x}由下面的矩阵方程解出[3]：

[K]{x}={F}

其中：[K]—常量矩阵，是线弹性材料量，使用小变形理论，可以包含一些非线性边界条件；

{F}—是静态加在模型上的，不考虑随时间变化的力，不包含惯性力的影响（质量、阻尼），N。

1.2 建模及网格划分

利用ANSYS 软件的前处理程序（Preprocessor），经过单元类型选择、材料参数的确定、几何建模等步骤，建立板式换热器的三维模型，并对模型进行网格划分。划分时单元格尺寸缺省，网格质量选择中等。

1.3 施加约束与载荷

1.3.1 约束条件

施加约束是重要的计算步骤，这里定义固定板体下部底板为完全约束，前置杆底板为部分约束，就是在Y 方向可移动，这与设计初衷是完全符合的。

1.3.2 加载

在换热器液压试验时，由于板片受到压力作用，通过板片间的接触点，最终压力传递到板体上，板体上受到压力的面积与板片受压面积相同，压力相同，所以板体受力部分的压强也应该等于试验压强，这里为1.3 MPa，所以在三维模型中板体的受压面上定义压强载荷1.3 MPa。

1.4 计算结果

经过前面的步骤后，进行计算，最后得到计算结果，这里取整体形变值（Total Deformation）和等效应力值（Equivalent Stress）。

ANSYS 软件对计算结果的后处理表达方式有很多种，有等值线图，云图，列表，动画等，这里用云图表示变形或受力的大小。图2 是各计算结果云图。

图2 计算结果云图Fig.2 The cloud picture of computed results

1.5 结果分析

计算结果如表1。

表1 计算结果Table 1 Table of computed results

通过计算分析可以得出最大变形在活动板体上，大小为1.241 9 mm，其大小与板体宽度的比值1.2419/720=0.0017﹤1/500=0.002，所以这个变形量是符合要求的；固定板体的最大受力114.09 MPa，活动板体的最大受力138.71 MPa，拉杆的最大受力153.1 MPa，而板体材质抗拉强度为345 MPa，拉杆的抗拉强度600 MPa，可见板体及拉杆所受力均在材质的抗拉强度范围内，所以说所选材质及结构符合强度要求[4,5]。

2 结 论

（1）在液压实验时活动板体的变形量要大于固定板体；

（2）对于密封来说，最薄弱的位置是二道密封和靠近上梁处，对于板体的变形来说，板体的中部位置，距离螺杆越远处，变形量和等效应力越大；

（3）在液压实验时，中间部分的螺杆变形最大，受到的应力也最大。

通过ANSYS 软件计算分析，得到设备在压力试验时的最大变形和最大应力的位置，计算结果可作为可拆式板式换热器的结构设计和变形分析的理论依据。

［1］ 杨崇麟.板式换热器工程设计手册[M].北京：机械工业出版社，1995.

［2］ 鋶丁 峰. Ansys12.0 有限元分析完全手册[M]. 北京：电子工业出版社，2011-01.

［3］ 浦广义.Ansysworkbench12 基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2012-08.

［4］NB/T 47004-2009 板式热交换器[S].

［5］ 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002-09.