空气冷却器管箱的应力分析

空气冷却器管箱的应力分析

杨善斌1郑贤中1杨侠1龚雪1刘根战2

（1.武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430200；2.西安航天发动机有限公司，陕西西安710100）

摘要：本文主要根据力学理论对空气冷却器管箱进行分析与校核，并使用ANSYS软件建立有限元模型并对空气冷却器管箱的管板，管束与接管进行应力分析与评估，以美国工程协会(AMES)中“应力分类的例子”与“应力类别与等效应力的极限”为基础，对管箱进行了一次和二次应力评估，通过有限元分析发现管箱出现最大应力的部位位于管板上，且结果与其他部件相同，是符合校核条件的，分析其原因,并提出减小该部位应力及位移变形的一些方法，相关结果也为该空气冷却器的设计制造提供了理论依据。

关键词：空气冷却器；管束；有限元分析；应力

1模型建立及有限元分析

1.1设计参数

空气冷却器管箱的管束与管板通过焊接，所有焊缝均保证全焊透，全熔合，管箱结合紧密，单元相互连接。

空冷器的材料参数如表1所示。

1.2网格划分

有限元模型采用六面体185单元进行分析，该有限元模型共划分159,161个单元和221,302个节点。

1.3边界条件及载荷

(1)边界条件

对连接角下面的所有节点进行全约束。

(2)载荷

最大允许工作压力(MAWP)P3：

P1=1.5MPa(1)

接管a/b的等效压力P2：

式(2)与(3)中，D0代表接管与管束的外径，Di代表接管与管束的内径。

接管的局部载荷如表4所示。

表4接管的局部载荷

2结果分析及应力评估

2.1有限元分析

将添加约束和载荷后的有限元模型进行求解处理，查看其等效应力得到以下结果：

(1)管束的等最大等效应力位于管道与管板的连接处，这个位置处于管束与管板两个地方的交界处，是气体或液体集合最紧密的的地方，容易受到应力的影响，因此在设计制造时，需要在此处加强结构防止应力破坏。

(2)连接角的最大等效应力位于连接角上方的位置，这个位置是连接角将整个管箱装置与空气冷却器通过螺栓连接，而不是直接受压力的地方，因此此处的等效应力略小于其他位置，但受到等效应力最大处的位置也要应该值得重视。

(3)管板的最大等效应力位于管板与管束连接的地方，处于管束与管板的交界处，管束内的气体或液体流经此交界处，再经过接管，是一个转折处，因此受到管束内气体或液体的压力比较大，在设计制造时需要重点考虑管板的结构，加强管板的强度，防止受到应力破坏。

(4)接管的最大等效应力位于接管的上方，处于接管与管板相接的地方，管束里的气体或液体也会经过此处，因此也会受到的压力，其等效应力相对也较大，因此在设计制造时需要考虑到接管的结构强度，防止应力破坏。

2.2应力评估

管箱的评估过程是使用弹性分析方法，来确定部件的可接受性。压力容器分析设计中各类应力的校核条件为：

上式中，

SⅠ-一次总体薄膜应力强度；

SⅡ-一次局部薄膜应力强度；

SⅢ-一次薄膜(总体或局部)加一次弯曲应力强度；

SⅣ-一次加二次应力强度。

此管箱各部位的应力评定如表5所示。

表5管箱各部位的应力评定表

3结论

采用有限元分析方法，利用ANSYS软件对某项目设计的空气冷却器管箱进行应力分析与评定。结果显示，根据结构有限元分析结果可知，最大应力位于管板上的连接位置，等效应力达到142.29MPa，且接管的应力也较大，在计算条件下，对空气冷却器管箱的强度评估是满足条件的，但在设计时，也应加强管板与接管的结构强度。此外，相关结果为该空气冷却器的设计制造提供了理论依据，并对该类型特殊结构的应力分析与评价提供了一种新思路与新方法。