基于ANSYS的蒸发器支座数目优化设计

【摘 要】国内大型蒸发器一般采用支座进行固定安装，而支座的数目是由制造厂家根据经验来选择的。利用ANSYS有限元分析软件，编写APDL程序，实现了对大型蒸发器支座数目的优化设计。通过对某厂制造的8支座蒸发器进行优化模拟，结果将支座数目优化为4个，节省了材料，提高了经济效益。优化后蒸发器工作状态良好，符合应用厂家的要求。

【关键词】蒸发器；ANSYS；支座：优化设计

蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温的冷凝气体通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，液化吸热，达到制冷的效果。一般来说，大型蒸发器通常是采用支座来进行安装的。为了蒸发器的稳定性考虑，支座的数目一般选用4个，6个或者8个。随着ANSYS有限元模拟技术在结构设计中越来越广泛的应用，本文利用ANSYS有限元分析软件中的APDL程序，对国内某厂生产的8支架蒸发器进行了有限元分析，然后分别把支架改成6支架和4支架，发现4支架状态情况下该蒸发器仍然能够正常工作，支架强度足够能支撑此蒸发器。为蒸发器选用支架数目提供了理论依据，初步实现了有限元参数化结构优化分析设计。

一、蒸发器几何模型的建立

蒸发器的基本描述：此蒸发器的设计压力位0.1MPa，设计温度为120℃，其介质为水和水蒸气。内径为4500mm，板厚为42mm，采用锥形封头，锥形角为60啊Vё畎搴椭ё拱搴穸染？8mm，筋板宽度为600mm，筋板高度为1200mm，底板长度为600mm。蒸发器主体部分所使用材料为00Cr17Ni14Mo2，材料的许用应力为116MPa，支座材料为Q235B，许用应力为113MPa，两种材料的弹性模量均为2.0？011Pa，常温下两种材料的泊松比均为0.3。该蒸发器有8个支座，其主体部分如图1所示，支座简图如图2所示。

二、蒸发器有限元模型的建立及网格划分

1.蒸发器有限元模型的建立。建立8支座蒸发器的有限元模型，主要对蒸发器及支架的主体部分进行建模，可以把蒸发器中的一些细微零件忽略掉，如锥形封头的接管，蒸发器主体部分上的开孔等。对于8支座蒸发器，由于其结构为对称的，所以可以选取支座支撑区域的1/8模型进行有限元建模。由于此蒸发器筒体长度过长，在有限元模型中可以选取3000mm长度的筒体在视图中表达出来，锥形封头整体较大，可以选取锥形封头中带有支架的部分视图来表达有限元模型。蒸发器的有限元模型如图3所示，有限元网格划分图如图4所示。

2.有限元单元的选取。选取Solid45单元进行有限元模拟，其几何形状如图5所示。

Solid45单元用于三维实体结构模型，单元是由8个节点结合而成，如图5所示。每个节点有3个方向（x、y、z）的自由度。该单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变的特征，可以获得简化的综合的微控选项。

3.网格划分办法及划分结果。采用映射网格划分方法，对腹板厚度方向，底板厚度方向线段划分为3份；对于其它线段网格划分精度为30mm。划分完成后，再对支架和锥形封头连接区域进行网格细化操作，网格细化等级为3级，共划分43157个单元。蒸发器网格划分最终结果如图4所示。

4.蒸发器有限元模型载荷及约束的施加。对于蒸发器有限元模型，把支座底面的各项位移施加全约束；两对称面施加对称约束；筒体内表面施加0.1MPa的内压力。锥形封头内表面施加内压力以及液柱静压力，假设液柱高度为15mm，筒体断面及椎体下端面施加轴向平衡载荷。

三、蒸发器有限元模拟结果

（1）蒸发器支架为8时等效应力云图。蒸发器支架为8时的等效应力（Von mises stress）云图如图6所示。（2）蒸发器支架为6时等效应力云图。修改APDL程序，把蒸发器支座的数目调整为6个，网格划分方法及材料参数设定不变，得到其应力云图如图7所示。（3）蒸发器支架为4时等效应力云图。再次修改APDL程序，把蒸发器支座的数目调整为4个，网格划分方法及材料参数设定仍然不变，得到其应力云图如图8所示。

四、模拟结果分析

如图6、图7和图8所示，无论如何调整支座的个数，蒸发器的最大应力均发生在支座筋板与筒体连接区域，确切来说是发生在支座与锥形封头的连接区域，分别如图上箭头所指区域。当支座数目为8时，最大应力强度为36.364MPa；支座数目为6时，最大应力强度为63.359MPa；支座数目为4时，最大应力强度为109.583MPa。由于蒸发器主体部分所使用材料为00Cr17Ni14Mo2，材料的许用应力为116MPa；支座材料为Q235B，许用应力为113MPa，所以支座分别为8个、6个和4个时，支座及蒸发器主体部分均满足材料强度设计要求。对于国内某大型制造厂来说，选用8个支座虽然强度也满足设计要求，但是余量过大，浪费材料严重。经过有限元模拟分析以后，及时对此设计方案进行了修改，把支架数目改为4个，设计和生产完成后，到蒸发器应用厂家进行了安装调试，一年多以来，蒸发器工作状态良好，没有出现强度失效现象。

五、结论

本文利用ANSYS有限元分析软件，编写APDL程序，对蒸发器主体部分及其支座连接区域进行了应力场模拟，通过模拟，发现国内某大型蒸发器制造厂家的一种型号蒸发器在支座设计方面存在着浪费材料的现象，可以由原来设计的8支座改为4支座即可满足设计要求，节约了大量的材料，提高了经济效益，并对大型蒸发器的支座设计具有理论指导意义。

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