ANSYS压力容器强度分析

1项目介绍

1.1背景

由于冷却器在每个项目中都会涉及到不同的压力等级，一般而言，设计压力0.6Mpa，测试压力为1.5倍的设计压力即0.9Mpa是比较常见的压力等级，但由于一些特殊项目涉及到设计压力1.2Mpa，测试压力1.8Mpa，高压等级，这就要求设计者能够用最经济最直观最快速的方法评估方案的可行性，也就是本文研究的基于ANSYS有限元分析的强度分析法。

1.2分析过程

空-水冷却器的模型由Pro/Ewildfire5.0建立，并转化为IGS或者Parasolid文档以便与ANSYS进行对接进行FEM分析。IGS或Parasolid文档导入之后首先需要进行网格划分、载荷加载以及边界条件的设置。ANSYS计算之后便可以在通用后处理软件中观察产品各位置的应力、变形和位移等。

2水管强度分析

2.1Pro/E模型空-水冷却器模型在Pro/Ewildfile5.0中建立，零件包含：内、外管，内、外管板，法兰，封头，螺栓地等。

2.2有限元模型IGS文档直接导入ANSYS12.0已进行有限元分析，网格划分采用SolidTet10node187单元，网格划分后共生成41431个四面体10节点的单元。

2.3结果1Mpa的工作压力导致了管壁极其微小的位移，最大位移为6.75×10-4mm，这个对冷却器来说是可以接受的。而管壁内表面最大的应力则为17.918Mpa。

3封头强度分析

3.1Pro/E模型

当冷却器正常工作时，外管几乎是不承压的，即使泄露，外管板所承受的压力不会大于内管板，所以可以着重对内管板进行强度分析。对于螺栓、螺母、垫片等紧固件在ANSYS中可以用nodescoupling来模拟。

3.2有限元模型

封头模型用solidTet10node187单元进行网格划分，同时使用smartsize9级精度辅助工作，划分后生成92299个单元和198124个节点。

3.3边界条件和载荷

内管板和封头红色区域将会用nodescoupling来模拟紧固件的锁紧力。下图所示区域域显示了耦合节点的连接，管板和封头耦合连接处施加Z方向的位移约束，同时对管板和封头形成的包围冷媒的腔体内表面施加工作压力1Mpa。

3.4分析结果

当所有边界条件和载荷都定义清楚之后，就可以用ANSYS中的Pre-ConditionCGequationsolver来进行计算。当迭代计算成功后，通过云图可以观察1Mpa的工作压力导致了封头处最大位移为0.373mm，内管板处的最大位移为0.332mm，相对于产品的零部件尺寸，这是可以接受的变形尺寸。对于应力结果，在封头和管板内表面施加的压力载荷导致在螺栓处的最大应力为220Mpa，在封头腔体处形成的最大应力为122Mpa，主管板应力最大为75Mpa，位置大概处于中间两排孔的区域内。

4结论

本文最大允许应力是根据EN13445第6章进行计算的。对于内管，最大应力17.918Mpa发生在内径处。屈服强度校核值:f＝160Mpa破坏强度校核值:f＝129.2Mpa内管允许的安全应力为129.2Mpa。对于螺栓，峰值应力为220Mpa．屈服强度校核值:f=426.7Mpa破坏强度校核值:f=333.3Mpa螺栓允许的安全应力为333.3Mpa。对于封头，最高应力为122MPa。屈服强度校核值:f=230Mpa破坏强度校核值:f=172.5Mpa封头允许的安全应力为172.5Mpa。对于主管板，峰值应力75Mpa出现在中间两排通孔处。屈服强度校核值:f=80Mpa破坏强度校核值:f=120.8Mpa主管板所能承受的安全应力为80Mpa。所以，本文所论述的冷却器各部件应力都在安全范围内，由此可以断定冷却器在10bar的压力下可以安全工作。

作者：蒋琎 单位：上海交通大学