基于ANSYS的冷卻器管板脹接有限元分析

程雙勝 程超 邱兆義

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 概論

近些年來，由于電機功率的不斷提升，發熱量也相應增加，因此需要與之配套的冷卻設備——電機冷卻器[1]。而冷卻器中換熱管與管板、翅片的連接好壞直接影響到換熱器的性能和電機的使用安全。其中脹接是一種常用的連接方法，目前常用的脹接方式有機械脹接[4]、液壓脹接、橡膠脹接和爆炸脹接等。機械脹接由于成本低，設備簡單而被電機冷卻器專業廠家廣泛使用。脹接過程中關鍵是脹后拉脫力、接觸面壓力和殘余應力的大小控制，由于機械脹接沒專用的傳感裝置檢測其脹緊程度，接觸面壓力和殘余應力的大小，僅憑工程人員初步計算和長期經驗的積累，存在一定的局限性。因此，本文利用 ANSYS模擬實際脹接過程中接觸面壓力及變形情況，取不同脹接頭尺寸進行模擬分析，分析確定了一個較合適的脹接頭尺寸，為工程實際提供理論試驗依據，減小試脹次數和時間，節約了初始投資成本。

脹接過程其實是一種高度非線性[5]接觸的過程。接觸是一種常見的物理現象，是常見的非線性問題。接觸問題分為兩種基本類型：剛體—柔體的接觸，柔體—柔體的接觸，ANSYS支持三種接觸方式：點—點，點—面，面—面接觸，每種接觸方式有不同的接觸單元集。本文利用面—面接觸單元進行分析，采用TARGE169模擬目標面，CONTA172模擬接觸面。

本文利用ANSYS的參數化設計語言APDL[3]（ANSYS Parameter Design Language）進行建模，載荷的加載，求解控制以及參數化數據處理，由于整個過程中許多參數的修改比較多，使用APDL參數化語言可以大大減少重復的工作量。ANSYS分析過程主要包含以下三個主要步驟：

1）創建有限元模型（前處理）；

2）施加邊界條件及載荷并求解；

3）查看和分析結果（后處理）。

2 有限元模型的建立

模型主要由機械脹接頭，換熱管和管板組成，管材內徑Φ13 mm，壁厚1.5 mm，管材與管板之間間隙0.5 mm，對于此問題的分析，又考慮到大變形，可以簡化成二維軸對稱模型分析。管材采用彈塑性單元 visoc108，其它用單元 plane182，分別用 targe169，conta172模擬目標單元和接觸單元，用兩個接觸對分別來模擬脹頭和管材的接觸、管材和管板的接觸，摩擦類型取基本的庫侖摩擦模型，材料塑性為多線性等向強化模型，單元總數1308，其有限元模型如下圖所示：

圖1

3 施加邊界條件與載荷

由于軸對稱模型，固只需約束管子與管板上下兩端Y方向的自由度；加載過程中使用兩個工況來模擬，工況一模擬脹接過程，工況二模擬拉脫力的大小，載荷的加載方式只需給脹接頭一個向上的位移載荷及可完成工況一的模擬，給換熱管一個向上的位移載荷及可完成工況二的模擬。

4 計算結果

由于計算結果圖片較多，只截取工況一下脹頭尺寸為Ф13.6 mm脹接過程前后的壓力和應力分布圖，如圖2～圖5。

工況2用來模擬換熱管拉出時的壓力分布和VM應力分布情況，見圖6～圖7。

針對不同脹接頭尺寸的接觸壓力和拉脫力分布情況，利用ANSYS中APDL高級命令提取節點最大接觸壓力、最大脹接力及最大拉脫力值，如表1所示。

表1

圖2 脹接過程中VM應力分布

圖3 脹接過程中壓力分布

圖4 脹接完成后壓力分布

圖5 脹接完成后VM 應力分布

圖6 換熱管拉出過程壓力分布

圖7 換熱管拉出過程應力分布

可見，隨著脹頭尺寸由13.5增加到13.6，其接觸最大壓力、最大脹接力及最大拉脫力變化比較緩慢，表現為彈性行為，也就是說，當脹接接頭離開時，其應變也完全消失；當尺寸由13.6增加到13.65后，其值變化比較大，依次推斷，此過程中換熱管已開始發生塑性變形。

圖9 脹接頭尺寸為13.55 mm的脹接力

圖10 脹接頭尺寸為13.55 mm的拉脫力

圖11 脹接頭尺寸為13.6 mm的脹接力

圖12 脹接頭尺寸為13.6 mm的拉脫力

5 后處理分析

本文運用 ANSYS強大的后處理功能進行了數據處理，分別以三種規格脹接頭尺寸 Ф13.6 mm、Ф13.55 mm、Ф13.65 mm進行了后處理數據分析，得出了不同脹接頭尺寸下脹接過程和拉出過程中的壓力及拉脫力隨位移的變化關系曲線。

圖13 脹接頭尺寸為13.65 mm的脹接力

6 結論

通過對以上分析，脹接頭尺寸在 13.55 mm以下時，換熱管與管板接觸壓力為 0，即此時脹接量還不能達到管與管板的連接，當脹接頭尺寸在13.6 mm以上時，小范圍的尺寸變動就能引起脹接力和拉脫力的顯著變化，主要原因是換熱管在此階段發生塑性變形，其回彈量小于管板發生彈性變形的回彈量。因此通過以上分析，可以從理論上基本確定脹接過程中的脹接頭尺寸的大小在13.6 mm以上小范圍變動較合理。由圖5可知當脹接頭尺寸13.65時殘余應力最大140 MPa，達到材料的屈服極限，可能因此換熱管屈而出現裂紋，導致冷卻液溢出，對電機造成嚴重的安全隱患。

圖14 脹接頭尺寸為13.65 mm拉脫力

因此初步得出結論，脹接頭尺寸控制范圍在13.6—13.65之間較為合適，此分析過程可為工程實踐脹接過程中前期提供可靠理論依據和減少試驗次數，節約工藝成本。

[1]馬義偉. 空氣冷卻器[M]. 北京： 化學工業出版社.1982.

[2]王慶五, 左昉, 胡仁喜等編著. ANSYS10.0機械設計高級應用實例[M]. 北京： 機械工業出版社, 2006.

[3]周寧等編著. ANSYS APDL高級工程應用實例分析與二次開發[M]. 中國水利水電出版社, 2007.

[4]段成紅, 錢才富. 換熱器管子與管板接頭拉脫力的研究. 北京化工大學學報, 2007, 34(3)： 309—3l2.

[5]凌道盛, 徐興. 非線性有限元及程序[M]. 杭州： 浙江大學出版社, 2005.