管板換熱器熱與機(jī)械應(yīng)力分析

立足ASME設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)兼顧GB-150和JB-4732壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范。筆者基于ANSYS Workbench 2022R1開(kāi)發(fā)了《壓力容器應(yīng)力分析項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)全流程進(jìn)階16講》，通過(guò)大量的理論和工程實(shí)例講解，使學(xué)員在較短時(shí)間內(nèi)全面而深入的掌握ANSYS Workbench在壓力容器行業(yè)的使用方法，

一、管板換熱器熱與機(jī)械應(yīng)力分析

首先展示一個(gè)經(jīng)典案例：管板換熱器熱應(yīng)力+機(jī)械應(yīng)力的仿真分析流程。主要包含材料定義、網(wǎng)格劃分、分析設(shè)置、溫度場(chǎng)分析、熱應(yīng)力+機(jī)械應(yīng)力分析等。

1、材料定義

本次分析所用的材料如下圖所示，因?yàn)槭菬釕?yīng)力+機(jī)械應(yīng)力分析，所以需要定義材料的熱性能參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)。

2、網(wǎng)格劃分

管板換熱器結(jié)構(gòu)需要在幾何處理環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)單的切分，才能劃分為純六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分設(shè)置和網(wǎng)格外形如下所示。

3、分析設(shè)置

管板換熱器的溫度場(chǎng)分析和應(yīng)力分析如下圖所示。左側(cè)為溫度場(chǎng)的分析條件，右側(cè)為熱應(yīng)力+機(jī)械應(yīng)力的分析條件。

4、溫度場(chǎng)分析

管板換熱器的溫度場(chǎng)分析結(jié)果如下圖所示。

5、熱應(yīng)力+機(jī)械應(yīng)力分析

管板換熱器的熱應(yīng)力+機(jī)械應(yīng)力分析結(jié)果如下圖所示。

二、分析設(shè)計(jì)已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)共識(shí)

壓力容器的分析設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)更細(xì)致，更科學(xué)，對(duì)材料的應(yīng)用也更合理，但也更有難度和挑戰(zhàn)。

（1）分析設(shè)計(jì)越來(lái)越普遍。可預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，分析設(shè)計(jì)不再是一項(xiàng)高級(jí)技術(shù)，而是一種與常規(guī)設(shè)計(jì)可相互替換和補(bǔ)充的設(shè)計(jì)方法，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)該掌握。

（2）設(shè)計(jì)規(guī)范和有限元分析軟件的融合。目前分析設(shè)計(jì)絕大部分采用有限元軟件完成，但規(guī)范對(duì)如何運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行壓力容器及其元件的設(shè)計(jì)和評(píng)估并未給出詳細(xì)的指導(dǎo)。

（3）有限元分析軟件功能強(qiáng)大而復(fù)雜。有限元軟件具備豐富的單元類(lèi)型、網(wǎng)格劃分功能、邊界條件設(shè)置、后處理操作等。軟件功能強(qiáng)大并且技術(shù)更新快，要對(duì)其熟練掌握，無(wú)疑有一定難度。

（4）有限元分析的正確性由設(shè)計(jì)者負(fù)責(zé)。這就要求分析設(shè)計(jì)人員既要對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范有充分的認(rèn)知，理解規(guī)范條款的理論基礎(chǔ)和來(lái)源；也要了解有限元理論知識(shí)，熟悉有限元軟件的使用。

三、分析設(shè)計(jì)教程圖書(shū)現(xiàn)狀

相比常規(guī)設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)對(duì)工程師有更高的理論要求。行業(yè)內(nèi)一致高度認(rèn)可的理論教材當(dāng)屬：李建國(guó)老師編著的《壓力容器設(shè)計(jì)的力學(xué)基礎(chǔ)及其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用》。李老師的書(shū)深入淺出，既適合基礎(chǔ)薄弱的分析設(shè)計(jì)新手，也能啟發(fā)分析設(shè)計(jì)的老司機(jī)。但是，該書(shū)出版于2004年，不能體現(xiàn)近二十年來(lái)壓力容器的理論發(fā)展。

在分析設(shè)計(jì)軟件工具的應(yīng)用方面，目前是ANSYS Mechanical一家獨(dú)大，這得益于ANSYS在壓力容器行業(yè)推廣最早。所以市面上關(guān)于分析設(shè)計(jì)最多的是ANSYS軟件的教材。截止目前，市面上依然以ANSYS經(jīng)典界面教材為主，其中不乏精品；但是，Workbench界面教材不多見(jiàn)，仍需繼續(xù)提供。

ANSYS經(jīng)典界面是上個(gè)世紀(jì)的產(chǎn)品，界面設(shè)計(jì)落后，并且在幾何處理和網(wǎng)格劃分上全面落后于Workbench界面。Workbench經(jīng)過(guò)二十年來(lái)的發(fā)展，界面友好，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便，學(xué)習(xí)門(mén)檻低，使用效率高，已經(jīng)成為ANSYS結(jié)構(gòu)分析最主流的產(chǎn)品，ANSYS經(jīng)典界面事實(shí)上已經(jīng)處于被淘汰的邊緣。

在ANSYS經(jīng)典界面教材方面，欒春遠(yuǎn)老師出版了多本。

余偉煒老師和王澤軍老師的ANSYS經(jīng)典界面教材也非常經(jīng)典。

在Workbench界面教材方面，欒春遠(yuǎn)老師兩年前出版了一本，許京荊老師2010年出過(guò)教程，質(zhì)量還可以，但篇幅精簡(jiǎn)，可能落后于Workbench界面十多年的發(fā)展。

沈鋆老師分別于2014年和2016年出版過(guò)相關(guān)書(shū)籍，但只在部分章節(jié)粗略的介紹了Workbench界面在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用，可能不足以讓讀者掌握Workbench界面的應(yīng)用。

編輯：黃飛