关于冷凝器封头的有限元局部应力分析

　　1 概述

　　在制冷系统中冷凝器是将压缩机送出的高压高温的制冷剂蒸气冷凝成液体。常用的冷凝器有三类：(1)水冷式。以水作为冷却剂，有管式冷凝器、套管式冷凝器及螺旋板式冷凝器。(2)喷淋式。同时以水和空气作为冷却剂，有喷淋式冷凝器(空气为自然对流)和蒸发式冷凝器(空气为强制对流)。(3)空冷式。以空气作为冷却剂，即空气冷凝器。文章以水冷式冷凝器为例。设备简图如图1 所示，冷凝器的相关设计参数如表1 所示。

　　为了对冷凝器封头部分的设计制造使用提供应力分析依据，本报告按JB4732 应力分析法，采用ANSYS 有限元分析软件，主要针对封头与接管及螺栓连接的结构部分进行局部应力分析与评定。

　　2 封头的几何参数及材料特性

　　本报告主要的研究对象是冷凝器的封头部分，封头参数如图2 中所示。封头的材料为Q235-B，该材料的弹性模量E=2×10⁵许用应力Sm=113 MPa。

　　3 有限元模型的建立

　　由于现有的计算条件的限制，为了简化计算，简化时考虑以下几个因素：

　　(1)建立模型的时候只考虑封头、接管和螺栓部分，螺栓上所受的拉力用等效的均布比压来代替。

　　(2)建模时，把螺栓简化为圆柱体，而且认为螺栓与封头包边已达一体化，单元相互连接，不考虑接触关系。

　　(3)根据边缘效应的影响长度公式：△L≥2.5Rt。接管须保留的外伸长度△L≥23 mm，本报告中取接管的外伸长度为35mm。

　　4 有限元单元的选择

　　为了真实的模拟封头在内压作用下的应力状态，封头、接管、螺栓全部采用实体单元。结构分析采用的是8 节点六面体单元Solid45。Solid45 用于仿真3D 实体结构。单元由8 点组合而成，每个节点具有 ，Y，Z 位移方向3 个自由度。单元具有塑性、潜变、膨胀、应力强化、大变形和大应变等特性。单元结构如图5所示。单元需要定义的主要材料常数有弹性模量(EX，EY，EZ)、泊松比(NUXY，NUYZ，NUXZ)和密度(DENS)等;输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应力、主应变以及相应的单元导出解。

　　5 载荷及边界条件的确定

　　本报告中，考虑的是管程设计压力1MPa 作用的情况。在分析中，将封头、接管和螺栓看成一个整体，在螺栓上施加等效均布拉力 F等效，其值按以下方法估算：

　　(1)20个螺栓的总面积：

　　对模型边界的约束为：在封头下端部施加约束Y 方向位移为零，YOZ 平面在X 方向的位移为零，XOY 平面在Z 方向的位移为零。图6 是封头有限元力学分析模型。