1st气体冷却器管板应力分析要点.docx
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1st气体冷却器管板应力分析要点
2014届毕业（设计）论文
题目1st气体冷却器应力分析
专业班级过程装备与控制工程01
学号
学生姓名
指导教师
指导教师职称讲师
学院名称
完成日期：
2014年06月05日
1st气体冷却器应力分析
1stgascoolerStressAnalysis
学生姓名
指导教师
摘要
有限元法的基本思路是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题化为离散的有限自由度问题。
本文主要是利用ANSYS软件对1st气体冷却器进行分析，主要介绍了有限元法的发展及概况；对1st气体冷却器的管板、端盖进行强度校核；根据应力云图，找到换热器设计的薄弱环节，并改进设计。
关键词：
数值模拟技术；应力分析；强度校核
Abstract
ThebasicideasofFiniteMethodisthatwedisperseaobject（Solutionofcontinuousdomain）toafinitenumberofsimpleunitsgroups,thenusingtheseassemblestoimitateorapproachtheoriginalobject,thustranslateasystemofinfinitedegreeoffreedomtoasystemoffinitedegreeorfreedom.
ThisarticleisprimarilyconcernedwiththeuseofANSYSsoftwaretoanalyzegascoolerfor1st.mainlyIntroducingthefiniteelementmethoddevelopmentandoverview;on1stgascoolertubeplate,coverstrengthcheck;Accordingstresscloud,findweaknessesinthedesignoftheheatexchangerandimproveddesign.
Keywords:
numericalsimulation;stressanalysis;strengthcheck
目录
摘要I
AbstractII
第一章概述1
1.1数值模拟技术与有限元法概述1
1.1.1工程问题解决1
1.1.2数值模拟与有限元法1
1.1.3有限元法起源2
1.1.4有限元专业术语2
1.2ANSYS概述6
1.2.1ANSYS简介6
1.2.2ANSYS功能模块7
1.3Workbench概述7
1.3.1Workbench简介7
1.3.2Workbench分析的基本过程9
1.4Solidwoks软件概述10
1.4.1Solidwoks简介10
1.4.2SolidWorks软件的主要特点11
1.5本课题主要目的12
1.5.1目的12
第二章1st气体冷却器管板端盖应力分析13
2.1.2部件材料13
2.1.3实体建模14
2.1.3简化模型的考虑17
2.2边界条件与载荷19
2.2.1载荷19
2.2.2边界条件19
2.3网格划分20
第三章应力分析结果及强度评定21
3.1左管板及端盖21
3.2应力处理方法21
3.2.1基本理论21
3.4应力线性化处理27
第四章结论与展望31
4.1结论31
4.2展望31
参考文献32
致谢35
第一章概述
1.1数值模拟技术与有限元法概述
1.1.1工程问题解决
工程问题一般是涉及力学问题或场问题的物理情况的数学模型。
数学模型是研究带有相关边界条件和初值条件的微分方程组，微分方程组是通过对系统或控制体应用自然的基本定律和原理推导出来的，往往代表了质量、力或能量的平衡。
在某些情况下，由给定的条件是可以得到系统的精确行为的，到实际过程中实现的可能性往往较小。
因此，工程问题的解决过程就是对实际问题进行数学模型的抽象、建立和求解的过程。
建立的数学模型既要能够代表系统又要可解，得到的结果应该达到一定的精度以满足工程问题的需要。
1.1.2数值模拟与有限元法
数值模拟是人们在现代数学、力学理论的基础上，借助计算机技术来获取满足工程要求的数学近似解。
目前在工程领域常用的数值模拟方法有：
有限元法、有限差法、边界元法和离散单元法等，其中有限元法是最实用性和应用最为广泛的。
有限元法（FEM）的基础是变分原理和加权余量法，在数值模拟技术（CAE）中运用最广。
有限元法最早应用于结构力学。
后来随着计算机的发展逐渐用于弹性力学平面问题和空间问题、薄板。
薄壳、厚板、弹性力学、塑性力学、大位移、断裂、动力反应、岩土力学、混凝土和钢筋混凝土、流体力学、热传导、工程分析、仿真计算、网格自动生成、误差估计和自适应技术。
1.1.3有限元法起源
有限元法是结构工程师和应用数学研究人员共同智慧的结晶。
现代有限元方法的起源可以追溯到20世纪的早期，当时有些研究者利用离散的等价拟合模态的弹性体。
由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了越来越搞得要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正式在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。
有限元法在20世纪40年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，至今，历经了几十年的发展，不断开拓新的应用领域。
其范围已经由杆件结构问题拓展到了弹性乃至塑性力学问题，有平面问题拓展到空间问题，有静力学问题拓展到动力学问题和稳定性问题，由固体力学问题拓展到流体力学、热力学和电磁学等问题，已经成为解决各类工程实际问题的有限途径。
可供选用的单元类型、算法类型以及相关的计算软件开发都发展到了前所未有的成熟水平。
1.1.4有限元专业术语
（1）节点
节点就是用以确定单元类型、表述单元特征及连接相邻单元的点。
（2）单元
对于任何连续体，都可以将其想象成由有限个简单形状的单元体组成，并可利用网格生成技术将其离散成若干个小的区域，这种在结构上的网格划分中的每一个小的块体区域称为一个单元。
（3）节点力和节点载荷
相邻单元之间的相互作用是通过节点来是实现的，这种通过节点的相互作用力就是节点力，也称为及诶单内力。
工程结构所受到的外在施加的力或力矩称为载荷，包括集中载荷和分布载荷、力矩等。
（4）边界条件和初始条件
边界条件是指结构边界上所受到的外加约束。
初始条件就是结构上所施加的初始速度、初始温度和预应力等。
（5）位移函数
连续体被离散后，需要用一些近似的函数来描述单元物理量，如位移、应变的变化等。
用以表征单元内的位移或位移场的近似函数称为位移函数。
位移函数在单元内部必须是连续的；两相邻单元在交界处的位移是连续的。
（6）收敛准则
对于一种数值方法，总是希望随着网格的逐步细分，得到的解答收敛于问题的精确解。
为了保证解答的收敛性，要求位移模式必须满足一下3个条件：
1位移必须包含单元的刚度位移。
当节点位移由某一刚度位移所引起时，弹性体内必须无应变，体内节点力为零。
2位移函数必须能包含单元的常应变。
3位移函数在单元内要连续，在相邻单元之间的公共边界上能协调。
后者指两相邻单元之间既不重叠也不分离。
在有限元法中，满足前面两个条件的单元称为完备条件，满足最后一个条件的单元称为协调条件
1.1.5应力分析专业术语
（1）应力强度
系组合应力基于第三强度理论的当量强度，规定为给定点处最大剪应的两倍，即给定点处最大主应力与最小主应力的代数之（拉应力为正值，压应力为负值）之差。
（2）总体结构不连续
系指几何形状和材料的不连续，使结构在较大范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布与变形产生显著的影响。
总体结构不连续的实例如：
封头、法兰、接管、支座等与壳体的连接处，以及不等直径或不等壁厚的壳体连接处等。
（3）局部结构不连续
系指几何形状或材料的不连续，它仅使结构在很小的范围内的应力或应变发生变化，对结构总的应力分布和应变不显著影响。
例如小的过渡圆角处，壳体与小附件连接处，以及未全熔透的焊缝等。
（4）法向应力
是垂直于所考虑截面的应力分量，也称为正应力。
通常法向应力沿部件厚度方向是不均匀的，此应力有两种成分组成，一是均匀分布的成分，它等于沿该截面厚度应力的平均值；另一是随着截面厚度各点位置不同而变化的成分。
（5）剪应力
是与所考虑截面相切的应力成分。
（6）薄膜应力
是沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。
（7）弯曲应力
弯曲应力是法向应力的变化分量，沿厚度上的变化可以是线性的，也可以不是线性的。
其最大值发生在容器的表面处，设计时取最大值。
本标准是指现形弯曲应力。
（8）一次应力
对平衡压力与其它机械载荷所必须的法向应力或剪应力。
对理想塑性材料，一次应力所引起的总体塑性流动式非自限的，即当结构内的塑性区扩展到使之变成几何可变的机构时。
达到极限状态，即使载荷不再增加，仍产生不可限制的塑性流动，直至破坏。
一次应力分为以下三类：
a.一次总体薄膜应力Pm
影响范围遍及整个结构的一次薄膜应力。
在塑性流动过程之中一次总体薄膜应力不会发生重新分布，它将直接导致结构破坏。
例如：
各种壳体中平衡内压或分布载荷所引起的薄膜应力；
b．一次局部薄膜应力Pl
应力水平大于一次总体薄膜应力，但影响范围仅限于结构局部区域的一次薄膜应力。
当结构局部发生塑性流动时，这类应力将重新分布。
若不加以限制，则当载荷从结构的某一部分传递到另一部分时，会产生过量塑性变形而导致破坏。
总体结构部连续引起的局部薄膜应力，虽具有二次应力的性质，但从方便与稳妥考虑仍归入一次局部薄膜应力。
局部应力区是指经线方向延伸距离不大于
，应力强度超过1.1Sm的区域。
局部薄膜应力强度超过1.1Sm的两个相邻应力区之间应彼此隔开，它们之间沿经线方向的间距不得小于
。
一次局部薄膜应力的例子是：
在壳体的固定支座或接管处由外部载荷和力矩引起的薄膜应力。
c.一次弯曲应力Pb
平衡压力或者其他机械载荷所需的沿截面厚度线性分析的弯曲应力。
（9）二次应力
为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所须的法相应力或剪应力。
二次应力的基本特征是具有自限性，即局部屈服和小量变形就可以使约束条件或变形连续要求得到满足，从而变形不再继续增大。
只要不反复加载，二次应力不会导致结构破坏。
例如：
总体热应力和总体结构不连续处的弯曲应力。
（10）峰值应力F
由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量。
峰值应力的特征是同时具有自限性与局部性，它不会引起明显的变化；其危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂。
非高度局部性的应力，如果不引起显著地变形者也属于此类。
例如：
壳体接管连接处由于局部结构不连续所引起的应力增量中沿厚度非线性分布的应力；复合钢板容器中复层的热应力。
1.2ANSYS概述
1.2.1ANSYS简介
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，ANSYS不仅支持用户直接创建模型，也支持与其他CAD软件进行图形传递，其支持的图形传递标准有SAT、Parasolid、STEP。
相应的也可以与多数CAD软件（如ＵＧ、ALGOR、Pro/Engineer、SolidWorks、CATIA等）接口，实现数据的共享和交换，使现在设计中的高级CAE工具之一。
随着技术的不断创新赫尔软件的不断更新，如今，ANSYS趋于完善，功能日益强大，使用更加快捷。
其主要特点如下：
1实现多场和多场耦合分析。
2实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化。
3具有多场物理优化功能。
4强大的非线性分析功能。
5多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。
6支持异种、异构平台的网格浮动，在异种、异构平台上用户界面统一异种、异构平台数据文件全部兼容。
7强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行。
8多种自动网格划分技术。
9良好的用户开发环境。
1.2.2ANSYS功能模块
ANSYS按功能作用可分为：
一个前处理模块（/prep7）、一个分析计算模块（/SOLU）、两个后处理模块（/POST1,/POST26）、几个辅助处理模块等。
前处理模块用于生成有限元模型；分析计算模块用于施加载荷及边界条件，完成求解计算；后处理模块用于获得求解结果，以便对模型作出评价。
前处理模块提供了一个强大的实建模和网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型。
1.3Workbench概述
1.3.1Workbench简介
Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境。
1997年，ANSYS公司基于ANSYSDesignSpace（DS）,其前后处理功能与经典的ANSYS软件完全不同，软件的易用性和CAD的接口非常好。
2000年，ANSYSDesignSpace的界面风格更加深受广大用户的喜爱，ANSYS公司决定提升ANSYSDesignSpace的界面风格，以供经典的ANSYS软件的前后处理也能应用，形成了协同仿真环境：
ANSYSWorkbenchEnvironment（AWE）。
Workbench的特点：
（1）协同仿真、项目管理
集设计、仿真优化、网格变形等功能于一体，对各种数据进行项目协同管理。
（2）双向的参数传输功能
支持CAD-CAE的双向参数传输功能。
（3）高级的装配部件处理工具
具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能。
（4）先进的网格处理功能
可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理。
（5）分析功能
支持几乎所有ANSYS有限元分析功能。
（6）内嵌可定制的材料库
自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用。
（7）易学易用
ANSYS公司所有软件模块的共同运行、协同仿真与数据管理环境，工程应用的整体性、流程性都大大增强。
完全的Windows友好界面，工程化应用，方便工程设计人员应用。
实际上，Workbench的有限元仿真分析采用的方法（单元内型、求解器、处理方式等）与ANSYS经典界面是一样的，只不过Workbench采用了更工程化的方式来适应操作者，使即使是没有多长有限元软件应用经历的人也能很快地完成有限元分析工作。
1.3.2Workbench分析的基本过程
ANSYS分析过程包括4个主要步骤：
初步确定、前处理、加载并求解、后处理。
其中初步确定为分析前的蓝图，操作步骤为后三个步骤。
1.前处理
前处理是指创建实体模型以及有限元模型。
它包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限元网格，修正模型等几项内容。
现今大部分的有限元模型都是用实体模型建模，类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，然后在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但是实体模型并不参与有限元分析，所以施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型（单元或节点）进行求解，这个求解过程通常是ANSYS程序自动完成的。
可以通过4种途径创建ANSYS模型：
（1）在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分网格。
（2）在其它软件（比如CAD）中创建实体模型，然后读入到ANSYS环境，经过修正后划分有限元网格（本论文就是采用此方法）。
（3）在ANSYS环境中直接创建节点和单元。
（4）在其它软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据读入ANSYS。
单元属性是指划分网格以前必须指定的所分析对象的特征，这些特征包括：
材料属性、单元类型、实常数等。
需要强调的是，除了磁场分析以外不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制，只需要自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入值得单位统一，单位制影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数及载荷等。
2.加载并求解
（1）自由度DOF—定义节点的自由度（DOF）值（例如结构分析的位移，热分析的温度，电磁分析的磁势等）。
（2）面载荷（包括线载荷）—作用在表面的分布载荷（例如结构分析的压力，热分析的热对流，磁场分析的麦克斯韦尔表面等）。
（3）体积载荷—作用在体积上或场域内（例如热分析的体积膨胀和内生产热，电磁分析的磁流密度等）。
（4）惯性载荷—结构质量或惯性引起的载荷（例如重力，加速度等）。
在进行求解之前应进行分析数据检查，包括以下内容：
（1）单元内型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位制。
（2）单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性。
（3）确保模型中没有不应存在的缝隙（特别从CAD）中输入的模型）。
（4）壳单元的法向，节点坐标系。
（5）集中载荷和体积载荷，面载荷的方向。
（6）温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。
3.后处理
（1）通用后处理（POST1）—用来观看整个模型在某时刻的结果。
（2）时间历程后处理（POST26）—用来观看模型在不同时间段或载荷步上的结果，常用于处理瞬态分析和动力分析的结果。
1.4Solidwoks软件概述
1.4.1Solidwoks简介
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，Solidworks软件功能强大，组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。
SolidWorks提供了强大的基于特征的实体建模功能，用户可以通过拉伸特征、旋转特征、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作实现产品的设计，方便地添加特征、更改特征以及将特征重新排列，对特征和草图进行动态修改，并通过拖拽等方式实现实时设计修改。
在进行装配设计时，可以直接参考其它零件并保持这种参考关系生成新零件可以动态装配体的所有运动，并对运动零部件进行动态的干涉检查和间隙检查，还可以应用智能零件技术自动完成重复设计，运用智能化装配技术完成自动捕捉并定义装配关系。
在进行工程图设计时，可以自动生成详细，准确的工程图样，且这种工程图样是全相关的，即在修改图样时，三维模型，各个视图，装配体都会自动进行更新。
SolidWorks还提供了功能强大的全相关的钣金设计和模具设计能力，以及开放的二次开发工具。
1.4.2SolidWorks软件的主要特点
（1）提供了直接绘制三维草图的功能，在友好的用户界面下，像绘制线架图一样不再局限于平面，而是可以在空间直接画草图。
此外，3D草图还可作为装配环境下的布局草图进行关联设计。
（2）提供了动画功能，可以生成实体装配过程、爆炸过程、运动过程的动画文件，同时也可生成各个过程的组合动画文件。
（3）提供了友好的界面。
图形菜单设计简单明快，形象化，一看便知。
系统的所有参数设置全部集中在一个选项中，容易查找与设置。
实体的建模与装配完全符合于自然的三维世界，特别是装配约束的概念非常简单且容易理解。
对实体的放大、缩小、旋转等操作可以在任何命令过程中使用，实体的选取非常容易和方便。
（4）建模迅速，操作灵活，是一种尺寸驱动且基于特征的三维设计软件，构造历史可供事后修改，更加适合学生在制图综合实践中使用。
1.5本课题主要目的
1.5.1目的
①熟练的掌握ANSYS软件，学会利用ANSYS进行有限元分析的方法。
②运用大学知识的力学知识对分析所得结果进行分析判断，改进和优化设计方案。
③对1st气体冷却器管板、端盖进行应力分析，得出结论。
1.5.2意义
掌握ANSYS软件的应用，对解决今后在工作中所遇到的工程问题有很大的帮助。
1st气体冷却器是非标换热器，无法通过常规设计方法对其强度进行校核，只能通过强大的分析计算软件进行的校核，因此本课题利用ANSYS软件对1st气体冷却器的研究和分析是具有重大意义的。
第二章1st气体冷却器管板端盖应力分析
2.1实体建模
2.1.1综述
1st气体冷却器如下图，左管板是外径980mm、厚度60mm的圆板，前端盖厚45mm，而右管板为长620mm、宽489mm、厚60mm的矩形板，后端盖厚40mm，传热管结构尺寸为Ф16×1mm，传热管与管板之间采用胀接并用密封焊的连接方式。
而封板为直径980mm，中间开有长方形厚度为50mm的圆板。
图2.11st气体冷却器装配图
2.1.2部件材料
气体冷却器管板、端盖及封板材料为16MnⅢ，传热管为CuNi10Fe铜合金，壳体为Q345R，其主要力学性能如下表：
表1主要材料力学性能表
序号
材料名称
温度℃
性能参数
弹性模量
（×103MPa）
设计应力强度MPa
1
16MnⅢ
常温
206
181
80
204
169
160
200
160
2
CuNi10Fe
常温
123
86
80
116
77
160
112
71
3
Q345R
常温
206
196
160
200
196
2.1.3实体建模
图2.2左管板三维实体模型
图2.3左端盖三维实体模型
图2.4右管板三维实体模型
图2.5右端盖三维实体模型
图2.6封板三维实体模型
图2.7总装配图
2.1.3简化模型的考虑
（1）由于模型轴向尺寸相比于径向尺寸大得多，所以有必要简化换热管长度尺寸。
（2）管程进出口接管仅对端盖产生局部应力，而对管板的影响可以略去不急，因此分析中只考虑开孔对端盖的影响。
（3）对于端盖与管板之间的螺栓连接，这里不做考虑，如有特殊要求，需进行螺栓连接及其密封面的细化分析。
（4）不考虑分隔板对管板及端盖强度的贡献作用。
（5）忽略管板槽对管板强度的影响。
简化后的模型如下图：
图2.8简化模型图
图2.9剖分模型图
2.2边界条件与载荷
2.2.1载荷
管程水压试验压力载荷：
P1=1.25MPa；
壳程水压试验压力载荷：
P2=0。
说明：
由于壳程压力低于管程压力，对于管板而言，理论上只要在管程压力下的强度满足要求，则在单侧壳程压力载荷作用下也是满足强度要求的，而壳体压力载荷作用下应重点考虑壳体是否满足强度设计要求，实际上，圆筒体在压力载荷作用下的强度问题在确定筒体厚度时均是按照经典的弹性理论做了考虑，因此，壳程压力载荷作用下的强度问题这里可以略去不计。
2.2.2边界条件
约束模型中的总体自由度，保持模型总体平衡。
2.3网格划分
本模型采用SOLID45单元类型，采用自由网格划分方法，共有1176131个单元，237032个节点，网格划分图如下：
图2.10网格划分图
第三章应力分析结果及强度评定
3.1左管板及端盖
图3.1左管板及端盖在设计压力载荷作用下应力强度分布云图
3.1为左
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