换热器管子-管板胀接有限元分析

均匀的，对无胀管槽的情况而言，其分布情况如图５
所示。在管板两侧均有一很高的接触压力区，然后
有一段低的接触压力范围，之后接触压力比较均
匀，其平均残余接触压力可取其各点接触压力的平
均值：
１
ｒｒ
Ｐ＝÷Ｊ ｏ ｓ，（ｚ）ｄＴ
万方数据
第６期
李磊等：换热器管子一管板液压胀接的有限元模拟
１３
其中：ｐ一平均接触压力，ＭＰａ；Ｌ一胀接长度 ｍｍ；ｓ，（ｒ）一任意长度处的径向接触压力，ＭＰａ。
（Ｇ。ｌｋｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ“ｇ’Ｎ蛆ｊｉｎｇ ｕｎｊｖｅｒｓｉｔｙ。ｆ ｃｈｅｍｉ浏Ｔｅｃｈｎｏｋｙ＇№ｎｊｉｆｌｇ ２１０００９，ｃｈｉ珊）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ－ｔ争ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ ｊｏｉｎｔｓ。ｆ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒｓ ａｎｄ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｒｌｇｅｒｓ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ／ＣＡＥ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｐｌａｔｅ—ｐｌａｔｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕＩａｔｅ ｔｈｅ ｇａｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ
子内表面承受压力的位置施加第二步载荷——压 力为零的载荷值。
施加载荷时，考虑到胀接工具的位置，在管板 两侧各２ｍｍ的范围不加内压，因而对于５０ｍｍ厚 的管板，内压载荷的作用范围为４６ ｍｍ。
２有限元模拟结果及分析
２．１计算结果 由模拟分析，可得到胀接时管子一管板部位的
弹．塑性应力及变形，同时可得到卸除胀接压力后管 子一管板部位详尽的残余变形。图３为光管孔三维 模型在胀接时的应力及变形。如果采用强度胀，通 常在管孔上开胀槽，对手双管槽，槽宽为８ ｍｍ，槽
触压力沿管扳厚度方向分布是不均匀的；在管孔槽处会出现较高的数值；在管扳内侧处，管于的过渡区会出现较大
的残余拉应力。
关键词：－接热器；液压胀接；残余接触压力；有限元模拟
中图分类号：ＴＱ ０５１．５０３
文献标识码：Ａ
文章编号：ｌ００７—７５３７（２００１）０６一００１０一０４
大多数管壳式换热器的失效都发生在管子与 管板的连接接头处。因此，对管子与连接结构进行 研究，制订出详尽、合理的设计、制造及质量控制措 施．延长设备的操作周期和使用寿命．对于安全、稳 定的生产具有十分重要的意义。
边缘处约束一个节点ｙ方向的位移。这样，最大限 度地减少了附加约束对实际胀接结果的影响，保证 了模拟的真实性，又保证了计算过程的收敛性。施
加的载荷为胀接时的实际胀接压力并将内压均匀
地施加在管子的内壁面，加载过程可分为两大载荷
步：
（１）加载过程：在管内壁面施加最大胀接压力。
在非线性分析中，载荷从初始值（通常为零）以一定
示意图
２
屯
３ ２管子一管板间残余接触压力沿胀接长度方向分 布是不均匀的，因而管孔槽的位置必须合理选择， 最好是开在管板中间部位，残余接触压力分布比较 均匀的部位。 ３．３对于液压胀接而言。ＧＢｌ５１一１９９９中规定的胀
槽宽度（３ｍ）是不适合的，由作者的研究结果表
明，对于液压胀接而言，以８～１０ｍｍ为宜。 ３．４在胀槽的边缘，有明显的高残余接触压力区。
摘要：采片】ＡＮｓＹＳ／ｃＡＥ软件．对锅炉、换热器管子一管板的液压胀接过程进行了模拟。管子与管板孔之间采用
面一面接触元以模拟相互之问的间隙及管于产生塑性变彤并贴紧管板孔后对管板的作用。通过本文的模拟分析， 可获得胀接时接头处的弹．塑性应力状志及卸除胀接压力后管子与管板之间的残余接触压力。值得注意的是此接
参考文献：
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Ｖ㈣ｌ Ｔ…ｃｔＩｏＴｌ ；ｎ ｈｙｄｍｕｌｉ曲Ｉ垮ｅｌｐａⅡｄｅｄ ｔｕｂ｝ｎｔｕｂｅｓｈｅＨ ＪｏＩｎｔｓ【Ｊ］．Ｊｏｕｍｄ ｏｆ
１２ ∞山＿‘，Ｄ
南京化工大学学报
第２３卷
深为０．５ ｍｍ，第一胀槽离开管板管程侧表面 １３ ｍｍ，两槽间距为１３ ｍｍ，胀接压力为１８０ ＭＰａ 时，接头在卸除胀接压力后，其残余应力及变形情 况如图４所示。
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Ｆｉｇ ３
光管孔三维模型胀接时的应力及变形
ｄｃｆｏ肿ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｆｅｅ ｄｉｍｅｎｓｌｏｎｄ
管子与管板连接的方法很多，但传统的胀接方 法仍然是目前应用最广泛的方法。胀接过程是一 个复杂的接触过程，对胀接过程和胀后残余应力及 拉脱力的研究，至今仍然是一个重要的研究课题。
关于液压胀管的有限元分析研究，国内外学者 已做了不少工作。ｗｉＩｓ。ｎ¨１采用Ｍａｒｃ有限元分析 软件对管子与管板接头处的残余应力状况进行了 探索，灿ｌａｍ和ｃｈａａｂ柚［２Ｊ采用ＡＢＡＱｕｓ软件对胀 接接头进行了有限元模拟，同时指出，虽然非线性 接触问题是一难点．但采用非线性有限元分析，在 这一方面将是大有前途的，它比传统的理论估算和 试验方法更精确、有效且更经济。国内研究及工程 技术人员也做了大量的研究工作”。Ｊ。采用弹塑 性理论，建立了二维模型，假设材料为理想塑性体， 管于及管板处于轴对称状态，服从小变形理论及 Ｍ－ｓｅｓ屈服准则，并用试验方法，进行了大量的研 究。
壁施加内压后，管壁产生径向膨胀。当管子外壁面 与管板孔接触时，间隙消除，这个阶段为换热管产 生变形的阶段。
（２）管内壁连续加压，管子连续产生径向变形， 此时管板亦受到管子的挤压作用而产生弹性变形， 甚至局部塑性变形，称为管板的加载阶段。
（３）卸除胀接压力，管板产生弹性恢复，使管孔 与管壁压紧，为卸载阶段。
２０５ ４３５
４５７ ６０５
１．４边界条件及载荷
根据胀接的实际过程，对于三维模型，因取其
整个七孔管板的１／４作为对象，故在两对称的截面
上限制其垂直于该截面的线位移；在管子及管板上
远离胀接处的管端及管板边缘各取一节点施加ｙ
方向的约束。而对于二维模型，属轴对称问题，仅
在管子远离胀接的一端及管板离胀接位置较远的
ｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ ｈｏｌｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｉｓ ｙｉｅｌｄｅｄ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｐｔ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｔｕｂｅｓｈ鳅
ｈｏｌｅ ａｎｄ ａｃｔ ｏｎ ｉｔ．Ｔｈｅ ｅＩａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ∞ｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｅＳｓｕｒｅ ｉｓ ｕｎｌｏａｄｅｄ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃ。ｎｔａｃｔ ｓｔｒｅＳＳ ｉｓ ｎｏｔ ｗｅｌｌ－ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅＳｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｏｃｃｕｒｆｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ ｈ０１ｅ ｇｒｏｄｖｅ．Ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅＳｓ ｉｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇ盯；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃ。ｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉ。ｎ
ａｎｄｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｄ ｔｕｂｅ ｈ０１ｅ ｗＩｔ】均ｕｔ日＿。ｄ坩
“×１０‘ｕ
圈２材料的应力一应变曲线 Ｆ增２ ｓｔｌｅｓ｝Ｈｔａｍ ｎｌｒｖｃ ｄ吼ｐ盱佃岫ｔ札伯枷抽ｋ 的增量到最终值，为了保证求解过程的收敛和效率 以及精确性，采用自动时间一载荷步长，并确定时 间一子载荷步。子载荷步的多少以保证收敛为准。 总载荷即胀接压力大时。子载荷步可相应增多。 （２）卸载过程：在前一步计算的基础上，在原管
第２３卷第６期 ２０叭年１１月
南京化工大学学报 ＪｏＵＲＮＡｌ．ｏＦ ＮＡＮＪＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ｖ０１．２３ Ｎｏ ６ Ｎｏｖ ２００ｌ
换热器管子一管板液压胀接的有限元模拟
李 磊，王海峰，桑芝富
（南京化工大学机械工程学院，江苏南京２１０００９）
万方数据
第６期
李磊等：换热器管子．管板液压胀接的有限元模拟
１１
为二维和三维模型及其网格图。
表１分析模型的结构尺寸 Ｔａｂｋ ｌ “ｆｎｅｒＩｓｉｏｎｓ ｆｏｆ ｔｈｅ ａ船Ｉ氍１ｓ ｒｒ州ｄｓ
＾Ｈ鼢
｝
。
１．２管子与管板孔问的间隙及接触元 管子与管板间的胀接分为３个连续的过程： （１）开始时管子与管板间存在间隙，当管子内
值得注意的是二维建模时管板套筒外直径Ｄ． 的取值大小，对胀接时接头的应力状况及卸载胀接 压力后残余应力的大小有较大的影响。按文献［６］ 的方法，选用不同的Ｄｎ值采用二维模型进行计算， 采用其中结果与三维结果一致的二维模型之ｎ 值，作为本文二维模型结构尺寸。图１（ａ）、（ｂ）分别
收稿臼期：２００ｌ一０７一１０ 作者简开：李磊（１９６８一）．男，山东广浇人，硕士，讲师。主要从事过程装备的结构强度及数值模拟研究工作。
Ｐｒｅ鼯ｕｒｅ
Ｔｅｃｈｎｏｋｇｎ
ｏｆ ＡｓＭＥ．１９９８（１２０）：
１２９．１３７
［３］汪建华，陆皓，褒敏刚，胀管接头的弹塑性有限元分析及应用
［Ｊ］．压力容器，１９９８，１３（６）：２９ｔ３ｌ 【４］王海峰，桑芝富，石庭瑞液压胀管的数值模拟【Ｊ］石宁由化工
设备．２００１（３０）：１０—３．
【ｓ］孙俊管子与管板液压胀接结构的模拟厦强度研究［Ｄ］南京：
分析模型所用的材料及其性能如表２所示，材
万方数据
料的应力一应变曲线如图２所示。
１１Ｍｅ ２
表２材料殛其性能 Ｅｘｐｅｒｌｍｅｍｄ ｍａｔｅｍｂ帅ｄ ｔｈｅｉｒ ｐｒｏｐｅｎｌｅｓ
源自文库
部件
材料
物理性能
Ｅ／ＭＰ８
Ｐ
换热管
１０
ｌ ９ ｘ１０５
管板１６ＭｎＲ ２ １ ｘ】０５
ｏ３ ０３
机械性能
ｑ／ＭＰａ钆／ＭＰａ
南京化工大学机械工程学院．２０００．
【６］王海峰．换热器液压胀管的数值模拟及其结构的优化【Ｄ】．南
京：南京化工大学机械工程学院，２００１
Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｏｆ
ｔｕｂｅ－ｔ０．ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒＳ ＬＩ Ｌｅｉ，ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｆｅｎｇ，ＳＡＮＧ Ｚｈｉ—ｆｕ
围４胀接压力卢＝１８０ ＭＰａ双管槽接头的残余
应力及变形
Ｊｏｉｎｔ…ｔｈ ｓｃｍ…ｄ Ｆｉｇ ４ ＲｅｓⅪｕａｌ
ｄｅｆ。ｒｒＩｌａｔｊ饥ｆｏｒ ｔｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ ｇｒ。。ｖｅｓ出…ｘｐａｎｓＩｏｎ
管子与管板间的残余接触压力是衡量胀管质
量的重要指标之一。模拟分析结果表明，接头残余
接触压力沿胀接长度（即管板厚度）方向分布是不
由此可见，胀接过程是管子与管板从有间隙的 分离状态到相互接触并产生挤压的连续过程。为 此，建模时在管子外壁与管孔壁之间施加了接触元 （实际上也可认为是间隙元）。它的基本思路是通 过虚设的单元将管壁与管孔连接起来，通过人为设 定的单元物理特性来模拟胀接的接触过程。在未 接触时，其刚度近似为零；而已接触的区域此间隙 元的刚度变得足够大。能阻止两物体的互相嵌入。 １．３材料及其性能
１．１几何模型 胀接时，管板上受力的区域主要集中在距离换
热管附近很小的范围内，所以本文采用单管模型． 研究单根管子与管板胀按时的应力状况及连接强 度。为了分析比较，建模时分别采用二维及三维模 型。二维模型是将管子与管板的连接结构简化为 具有一定长度的单根管子与一定外直径的套筒式 管板相连接。而三维模型采用七孔管板，仅中心管 孔与管子相连接的结构之１／４建模。其建模时的 结构尺寸详见表１。
管子在胀槽处产生明显的变形而嵌入槽内，很显 然，这对提高接头的拉脱强度及密封耐压能力都是 有益的。
图５残余接触压力的变化 Ｆｉｇ ５ ｖ且ｉａｌ西ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｒ郸
３分析比较及结论
３．１采用ＡＮｓＹｓ软件，对管子一管板的液压胀接 过程进行有限元模拟，可在确定等效管板套筒外直 径的基础上通过简单的二维模型，施加接触元来实 现。现可方便地进行结构参数分析，又可节省人 力、物力，是一种行之有效的方法。通过模拟，可获 得在胀接压力下管子、管板上的弹一塑性应力，卸除 胀接压力后管子、管板上的残余接触压力的分布规 律。从而为结构设计、制造等提供有价值的数值。
本文采用ＡＮｓＹｓ有限元软件，对换热管与管 板液压胀接过程及接头在胀接时的弹一塑性应力
状态，卸除胀接压力后管子及管板的残余应力状态 进行了模拟，特别是胀管槽处的应力分布情况进行 了分析，为加强人们对胀接过程及连接接头性能的 理解，提高换热器设计及制造的质量，不断修改及 完善现有标准规范提供了依据。
１有限元模拟