换热器管子与管板液压胀合有限元ANSYS分析研究

　　换热器管子与管板液压胀合有限元ANSYS分析研究侯权，潘红良，蔡丽安（华东理工大学机械学院，上海质量好坏的关键，本文利用有限元ANSYS来确定不同管子与管板的胀接压力，是开发高效率高质量的连接技术的一个大有作为的发展方向。

　　1刖目换热器在工业中有着十分重要和广泛的用途。其可靠性和使用寿命很大程度上却与管子与管板的连接质量有关。

　　在国内外大型合成氨尿素换热器停车事故中，管子与管板连接部位的泄露事故占相当大的比例，管子与管板连接质量对整个系统的运行状态会产生重大影响。因此开发高效率高质量的连接技术是当前换热器制造的一个重要课题。

　　2液压胀合成型法液压胀接是七十年代后期由西德的Krips等人首先发展起来的。到目前为止，液压胀接技术被认为就是形环法，这种方法是在插入管孔的芯轴两端各设置一形圈以密封高压介质，胀接压力直接通过芯轴的中心孔施加到换热管的内表面，使换热管发生塑性变形而与管板连接在一起。

　　液压胀合成型胀接长度、胀紧程度、管孔污染和残余应力等方面，均优于橡胶和爆炸胀接工艺，符合产品的结构和技术要求。和爆炸胀接、橡胶胀接一样，也属于对管内壁均匀施加压力的柔性胀接技术。液压胀合成型法是将管套装在一起，管两端密封，然后向内层管内加液压，随着管内液压力的升高，内层管材料逐渐由弹性变形状态进入塑性变形状态，当管内压力达到一定值时，内层管贴紧管板，致使管板也开始发生弹性变形，当管内压力卸除后，由于外层管弹性回复量大于管板的弹性回复量，使管子与管板紧密贴合完成胀合。此种方法具有可以直接测量和控制的优点，因而一直为人们所关注。但由于换热器类型的不同，管子与管板的个数和分布的不同，胀接要求的不同等等因素的影响，以及新型换热器的开发和研究，要想用传统的理论计算来达到所需的要求和结果，已经不能适应当前社会的发展趋势，而通过在计算机上应用一些成熟和完善的专业分析软件，就能克服传统的理论计算所带来的一些弊端，从而更好的适应社会发展的要求。

　　本文就是借助ANSYS有限元分析软件，根据材料的力学性能，分析胀管过程加载过程中管子与管板的应力分布和应变分布特点，计算胀管压力卸除后管子与管板之间的残余接触压九分析过程中充分考虑胀管的特点，引入材料非线性和接触非线性分析，利用ANSYS软件更直观反映胀管过程中的应力与应变变化特点。

　　3有限元ANSYS的分析1模型的简化换热器主要是由上、下端盖，外筒，蒸汽（高温水）导入管，凝结水导出管及水平浮动盘管组成。我们研究的对象是端盖和导入管，也就是通常所说的管子和管板，但我们可以也必须对整个管子和管板结构进行简化，这是因为如果不进行简化用计算机进行有限元分析不仅工作量增大，而且和进行简化后的模型处理结果相差不大。就是要用有限元ansys进行分析而进行的简化。

　　2模型的建立在模型简化的基础上，对本文所讨论的问题进行ansys建模：确定ansys分析的单元模型，设置单元类型选择Plane82并在Optim*.按钮选择Axisymmetric设置材料特性输入弹性模量、泊松比、剪切模量与弯曲强度等特性参数值，如表2建立有限元模型：几何模型和网格化；定义接触对一线接触对；施加约束条件：轴向一端设定为全约束，另一端为自由、无约束；施加（几何模型左的线）线压力，方向从左向右（如所示）本文对表1中所列的五种不同情况做了有限元分析，表2为管子管板材料的力学性能参数。

　　表1管子与管板及胀接压力五种情况内层管（mm）外层管（mm）胀接压力（MPa）表2管子管板材料简化模型的力学性能参数名项/称目材料牌号屈服强度抗拉强度MPa弹性模量E延伸率内层管外层管ANSYS的处理结果1管板与管子尺寸一定时残余接触应力与胀合压力Pi的关系的有限元验证在这里所涉及的管板与管子的尺寸取表1的case2的尺寸，到是同一管子与管板尺寸条件下施加不同的胀合压力然后卸载所得到的残余接触应力，而是本节条件下理论计算解和ansys分析解的关系图。

　　2胀合压力代一定残余接触应力与外层管板尺寸的关系有限元验证根据前一节的计算结果，这一节的讨论中，我们取胀合压力P.为185MPa管板与管子MPa的尺寸分别取表1的各case的尺寸，到3是在不同管子与管板尺寸条件下施加同一胀合压力然后卸载（0~185MPa~0）所得到的残余接触应力，而4是本节条件下理论计算解和ANSYS分析解的关系图。

　　5结语1分别通过改变施加液压胀合力的大小设计出五个案例190MPa）由管子与管板的残余接触压力分布云图得出各残余接触应力的值，建立了有限元计算液压胀合力与残余接触应力的数据图示关系。

　　2分别通过改变管板尺寸也设计出五个案例（管板外径分别为49mm、46mm、44mm、42mm、40mm）由管子与管板的残余接触压力分布云图得出各残余接触压力的值，建立了管板尺寸与残余接触压力的数据图示关系。

　　53根据理论计算的结果和ANSYS的分析结果（如14），可以得出ANSYS能应用于换热器的胀合计算，并能为新型换热器的设计提供有益的指导和参数。