基于ANSYS的蒸發器支座數目優化設計

【摘 要】國內大型蒸發器一般采用支座進行固定安裝，而支座的數目是由制造廠家根據經驗來選擇的。利用ANSYS有限元分析軟件，編寫APDL程序，實現了對大型蒸發器支座數目的優化設計。通過對某廠制造的8支座蒸發器進行優化模擬，結果將支座數目優化為4個，節省了材料，提高了經濟效益。優化后蒸發器工作狀態良好，符合應用廠家的要求。

【關鍵詞】蒸發器；ANSYS；支座：優化設計

蒸發器是制冷四大件中很重要的一個部件，低溫的冷凝氣體通過蒸發器，與外界的空氣進行熱交換，液化吸熱，達到制冷的效果。一般來說，大型蒸發器通常是采用支座來進行安裝的。為了蒸發器的穩定性考慮，支座的數目一般選用4個，6個或者8個。隨著ANSYS有限元模擬技術在結構設計中越來越廣泛的應用，本文利用ANSYS有限元分析軟件中的APDL程序，對國內某廠生產的8支架蒸發器進行了有限元分析，然后分別把支架改成6支架和4支架，發現4支架狀態情況下該蒸發器仍然能夠正常工作，支架強度足夠能支撐此蒸發器。為蒸發器選用支架數目提供了理論依據，初步實現了有限元參數化結構優化分析設計。

一、蒸發器幾何模型的建立

蒸發器的基本描述：此蒸發器的設計壓力位0.1MPa，設計溫度為120℃，其介質為水和水蒸氣。內徑為4500mm，板厚為42mm，采用錐形封頭，錐形角為60€啊Vё畎搴橢ё拱搴穸染？8mm，筋板寬度為600mm，筋板高度為1200mm，底板長度為600mm。蒸發器主體部分所使用材料為00Cr17Ni14Mo2，材料的許用應力為116MPa，支座材料為Q235B，許用應力為113MPa，兩種材料的彈性模量均為2.0€？011Pa，常溫下兩種材料的泊松比均為0.3。該蒸發器有8個支座，其主體部分如圖1所示，支座簡圖如圖2所示。

二、蒸發器有限元模型的建立及網格劃分

1.蒸發器有限元模型的建立。建立8支座蒸發器的有限元模型，主要對蒸發器及支架的主體部分進行建模，可以把蒸發器中的一些細微零件忽略掉，如錐形封頭的接管，蒸發器主體部分上的開孔等。對于8支座蒸發器，由于其結構為對稱的，所以可以選取支座支撐區域的1/8模型進行有限元建模。由于此蒸發器筒體長度過長，在有限元模型中可以選取3000mm長度的筒體在視圖中表達出來，錐形封頭整體較大，可以選取錐形封頭中帶有支架的部分視圖來表達有限元模型。蒸發器的有限元模型如圖3所示，有限元網格劃分圖如圖4所示。

2.有限元單元的選取。選取Solid45單元進行有限元模擬，其幾何形狀如圖5所示。

Solid45單元用于三維實體結構模型，單元是由8個節點結合而成，如圖5所示。每個節點有3個方向（x、y、z）的自由度。該單元具有塑性，蠕變，膨脹，應力強化，大變形和大應變的特征，可以獲得簡化的綜合的微控選項。

3.網格劃分辦法及劃分結果。采用映射網格劃分方法，對腹板厚度方向，底板厚度方向線段劃分為3份；對于其它線段網格劃分精度為30mm。劃分完成后，再對支架和錐形封頭連接區域進行網格細化操作，網格細化等級為3級，共劃分43157個單元。蒸發器網格劃分最終結果如圖4所示。

4.蒸發器有限元模型載荷及約束的施加。對于蒸發器有限元模型，把支座底面的各項位移施加全約束；兩對稱面施加對稱約束；筒體內表面施加0.1MPa的內壓力。錐形封頭內表面施加內壓力以及液柱靜壓力，假設液柱高度為15mm，筒體斷面及椎體下端面施加軸向平衡載荷。

三、蒸發器有限元模擬結果

（1）蒸發器支架為8時等效應力云圖。蒸發器支架為8時的等效應力（Von mises stress）云圖如圖6所示。（2）蒸發器支架為6時等效應力云圖。修改APDL程序，把蒸發器支座的數目調整為6個，網格劃分方法及材料參數設定不變，得到其應力云圖如圖7所示。（3）蒸發器支架為4時等效應力云圖。再次修改APDL程序，把蒸發器支座的數目調整為4個，網格劃分方法及材料參數設定仍然不變，得到其應力云圖如圖8所示。

四、模擬結果分析

如圖6、圖7和圖8所示，無論如何調整支座的個數，蒸發器的最大應力均發生在支座筋板與筒體連接區域，確切來說是發生在支座與錐形封頭的連接區域，分別如圖上箭頭所指區域。當支座數目為8時，最大應力強度為36.364MPa；支座數目為6時，最大應力強度為63.359MPa；支座數目為4時，最大應力強度為109.583MPa。由于蒸發器主體部分所使用材料為00Cr17Ni14Mo2，材料的許用應力為116MPa；支座材料為Q235B，許用應力為113MPa，所以支座分別為8個、6個和4個時，支座及蒸發器主體部分均滿足材料強度設計要求。對于國內某大型制造廠來說，選用8個支座雖然強度也滿足設計要求，但是余量過大，浪費材料嚴重。經過有限元模擬分析以后，及時對此設計方案進行了修改，把支架數目改為4個，設計和生產完成后，到蒸發器應用廠家進行了安裝調試，一年多以來，蒸發器工作狀態良好，沒有出現強度失效現象。

五、結論

本文利用ANSYS有限元分析軟件，編寫APDL程序，對蒸發器主體部分及其支座連接區域進行了應力場模擬，通過模擬，發現國內某大型蒸發器制造廠家的一種型號蒸發器在支座設計方面存在著浪費材料的現象，可以由原來設計的8支座改為4支座即可滿足設計要求，節約了大量的材料，提高了經濟效益，并對大型蒸發器的支座設計具有理論指導意義。

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