焊接板式换热器连接板热应力有限元分析

前言
传统的散装式板式换热器(可拆卸式板式换热器)，由于本身结构的局限性，使用压力不超过 2.5MPa，使用温度不超过250℃，最大组装面积 2000m 3，另外还存在橡胶密封垫在高温下容易失效的缺陷以及在某些特定介质中的应用问题一直未能得到解决。因此，为了提高板式换热器的使 用温度和压力，扩大其使用范围，国内外陆续开发、制造并使用了多种焊接板式换热器。这些焊 接板式换热器已经越来越多地用于化工、石油、 动力、冶金等领域的加热、冷却、冷凝、蒸发和热回收等过程中。
众所周知钢板越薄，传热效果就越好，但是钢板太薄会给制造加工带来很大的困难，尤其是在焊接时。薄板的对接焊缝易烧穿无法成型。在全焊接板式换热器当中就存在这样的问题。在全焊接板式换热器中由于管侧端板为δ=20mm的 0Cr18Ni9的钢板，而换热器板片的板厚仅为 0.4—1.0mm，因此管侧端板母材焊接加热温度达到熔化点时，传热板片已熔化掉了一大片，根本无法进行焊接。如果将传热板片的板厚加厚（如 改为1.2mm以上），则不存在上述困难，但是为 了获得良好的传热效果，决定不改变板厚，而是 在管侧端板和板束之间加焊了一层δ=3—4mm按板束翼端连接处实际形状制造的连接板解决了上述问题。因此连接板既要和板束焊接又要与管侧端板焊接，从而产生较大的热变形,给设计和制造工作带来很多麻烦，因此对连接板的热应力分析显得尤为重要。本文利用ANSYS软件不仅对连 接板的温度场做了计算，而且采用热应力耦合单元对热应力作了进一步分析。在生产实践中，该方法可提供了控制连接板热变形的理论依据。

1.连接板温度场的边值问题
1.1热微分方程式
焊接热过程取决于外加热源的分布形式，材料的热物理性能以及材料与周围的换热。连接板的传热问题是二维问题。为了简化计算作如下的基本假设：
（1）温度场是稳态；
（2）连接板材料性质不随温度变化；
（3）焊接板材料为各向同性材料。
温度T（x,y,t）作为平面坐标（x,y）与时间t的函数，揭示热传导和温度场内在规律的数学工具是Laplace热传导方程：

式中：λ——材料的导热系数[J/(cm·s·℃)]
c——比热容[J/(g·℃)]；
ρ——密度（g/cm3）
1.2热源热量计算
W =UIt（2）
式中：U——焊接电压；
I——焊接电流；