制冷壓力容器特殊形狀零件設計方法探討

張樹光

摘要：針對制冷壓力容器特殊形狀零件的設計，常規設計方法往往無法解決，通過有限元分析方法或驗證性實驗2種設計方法的有效結合，可以方便高效的完成特殊形狀零件的設計，給出了具體結合應用的方法。算例表明：2種設計方法的結合，縮短了設計周期，降低了設計成本。對從事制冷壓力容器行業的設計人員，具有一定指導作用。

關鍵詞：制冷壓力容器；驗證性實驗；特殊形狀零件；有限元分析

中圖分類號TH49 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0211-02

制冷壓力容器領域的管殼式換熱器，屬于壓力容器范疇，其安全性能至關重要，有著專門的行業標準NB/T 47012-2010《制冷裝置用壓力容器》。對于這類換熱器中的特殊形狀受壓零件，目前沒有常規的計算方法，NB/T 47012標準提供了“驗證性實驗”方法和“包括有限元法在內的應力分析設計”方法求取特殊形狀受壓零件最小厚度。

單獨使用以上2種方法時，均存在明顯不足，驗證性實驗方法需要預先估選一個初始厚度來制造試樣，往往難以一次求解成功，需要反復修改并多次驗證。借助于計算機技術的有限元分析方法時，按NB/T 47012標準規定應用此設計方法需要經指定機構評定認可。導致產品設計周期長，設計成本高。

筆者經過多年來的設計實踐，總結了一種合理有效的設計思路，通過以上2種設計方法的有效結合，在保證零件安全性能的基礎上，可以避免單獨使用以上2種設計方法時的限制及不足。具體思路為，先用有限元分析方法確定初始目標厚度，然后按照初始目標厚度制造驗證性實驗的試樣，再使用驗證性實驗方法進行設計驗證，求得準確的最小厚度。本文以制冷壓力容器領域中的冷凝器特殊形狀零件——DN550帽型封頭（如圖1）為例，通過綜合運用基于solidworks simulation的有限元分析方法和驗證性實驗方法，順利確定了封頭的最小厚度。

1.有限元分析簡介

有限元分析法是隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一種計算方法，是一種求解關于場問題的一系列偏微分方程的數值方法。目前，有限元分析法已經廣泛應用于機械工程領域，適用于各種結構復雜零件的應力分析、應變分析和位移分析及疲勞分析等。

Solidworks simulation是一款集成在SolidWorks中的基于有限元技術的分析插件。運用Solidworks Simulation，普通的設計人員無需專門培訓就可以進行設計分析，并快速得到分析結果，同時可以方便的在設計仿真一體化界面中進行設計修改和優化，從而大幅度地縮短設計周期，節省人力物力，降低設計成本，提高產品市場競爭力。

2.有限元分析求解過程

2.1創建帽型封頭三維模型

DN550帽型封頭設計參數如表1，根據已知帽型封頭結構尺寸（如圖1），并預設厚度尺寸為8mm，利用SolidWorks繪制帽型封頭三維模型。

2.2創建帽型封頭有限元模型

1）定義新算例：算例名稱默認為“算例1”，因帽型封頭在冷凝器運行時處于靜止狀態，因此，算例類型選擇“靜態”。

2）指定材料屬性：在“應用/編輯材料”中，Q345R為合金鋼，故選擇“合金鋼”，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.28，屈服強度為620.42MPa。

3）添加夾具：對24個螺栓孔添加“固定幾何體”約束，該約束用來模擬帽型封頭與冷凝器其它零件之間的連接狀態。

4）施加外部載荷：添加壓力載荷，選擇“外部載荷/壓力”，由于封頭內側承受水壓，故選擇壓力的方向“垂直于所選面”，依次選擇所有直接承受水壓的面，壓力值取1.0MPa；添加溫度載荷，由于介質設計溫度55℃，還要定義溫度載荷，選擇“外部載荷/溫度”，單位選擇“攝氏度”，溫度值取55。

5）生成網格：選擇“生成網格”，“網格因子”使用默認的中等密度網格，在SolidWorks simulation分析過程中，大多數情況下使用默認的網格設置，既可以使離散化誤差保持在可接受的程度，同時使計算時間最短。

2.3運行分析

執行“運行”命令，SolidWorks simulation自動運算，并生成von Mises應力1、位移1、應變1圖解。然后分別從應力及安全系數的角度分析處理。

1）應力分析：從von Mises應力1圖解（圖2）看出，帽型封頭最大von Mises應力出現在螺栓孔內側，最大為336.83MPa，遠低于帽型封頭材料的屈服強度620.42MPa。因此，對于0345R材質且厚度為8mm的帽型封頭的設計是安全的。

2）安全系數分析：首先定義安全系數圖解，執行“安全系數”命令，在準則中選擇“最大yon Mises應力”，設定應力極限到“屈服力”，然后選擇“安全系數分布”，生成安全系數1分布圖解（圖3），最小安全系數為1.84，在NB/T 47012標準中，對鋼制壓力容器安全系數規定為≥1.6，此帽型封頭最小安全系數大于1.6，因此，從安全系數的角度分析，該帽型封頭的設計是安全的。

2.4設計修改及優化

通常第一次預設厚度不是最佳結果，需要多次修改模型數據，重復以上分析過程，直到得出合格且經濟的最佳結果，以確定后面驗證性實驗需要的目標厚度。經分析，從有限元分析的角度，采用Q345R材質的帽型封頭最小厚度是8mm?？梢該俗鳛槟繕撕穸龋谱飨乱徊津炞C性實驗的試樣。

3.驗證性實驗求解

3.1試樣制作

根據上述有限元分析結果確定的DN550帽型封頭目標厚度制作驗證性實驗的試樣。

3.2驗證性實驗求解過程

筆者在《驗證性實驗在制冷壓力容器設計中的應用》一文中介紹了DN550帽型封頭的具體驗證性實驗過程，采用8mm厚度的Q345R鋼板制作的帽型封頭試樣，驗證結果合格；依據NB/T 47012標準規定，驗證性實驗方法求取特殊形狀零件厚度時，最小厚度應大于試樣厚度，所以DN550帽型封頭最小厚度取10mm。

首先用有限元分析方法作為輔助設計，最大程度上縮小了目標厚度的范圍，為下一步的驗證性實驗方法提供目標厚度作為參考，然后根據有限元分析方法確定的目標厚度制作驗證性實驗的試樣。通過兩種設計方法的綜合運用，最終完成了特殊形狀零件——DN550帽型封頭的強度設計，確定了封頭的最小厚度。

4.結論

2種設計方法的有效結合，取長補短，充分利用計算機硬件及軟件在修改及運算方面的先進性，快速確定目標厚度，為驗證性實驗的成功提供了強有力支持。在保證零件安全性能的基礎上，提高了驗證性實驗的成功率，縮短了設計周期，節約了人力物力，降低了設計成本。