基于有限元分析的热泵承压水箱内胆封头研究.pdf

现代设计技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期收稿日期:作者简介:范召卿(),男,湖南衡阳人,硕士研究生,工程师,研究方向为家电制造技术、热泵承压水箱生产工艺等.文章编号:()基于有限元分析的热泵承压水箱内胆封头研究范召卿,黄彦维,谭德强,陈昌中(珠海格力电器股份有限公司 工艺部,广东 珠海 )摘要:采用有限元分析方法,对工作压力及水自重作用下的热泵承压水箱美式单凸内胆椭圆形封头和碟形封头进行仿真,对比了种封头的静应力最大值和安全系数最小值.结果表明,在 MP a工况下,同一规格的椭圆形封头承压能力、安全系数远大于碟形封头.关键词:热泵承压水箱;椭圆形封头;碟形封头;有限元分析中图分类号:T P ;TU 文献标识码:Ad o i:/j i s s n 热泵热水器具有节能环保、能效高等优点,目前已在发达国家市场占据了较高的份额.在绿色发展理念指导下,国内热泵热水器行业也迎来了快速发展期.热泵热水器的加热速率低,一般需配置缓冲承压水箱作为储能部件,以满足其热量存储、压力缓冲及供热波峰波谷平衡的需求.承压水箱内胆是热泵热水器的核心部件,决定了热泵热水器的质量和寿命.为满足热泵热水器产品长期稳定使用的需要,承压水箱内胆必须具有良好的结构性能.目前的承压水箱主要有欧式双凸内胆和美式单凸内胆两类.二者结构的不同,导致了它们的制造工艺及所需设备存在较大差异.一般情况下,欧式胆容积为 L以下,且以容积小于 L的卧式壁挂件为主,多用于电热水器;美式胆容积为 L,且以 L以下的立式落地件为主,多用于热泵热水器.热泵承压水箱内胆主要包括中段结构和封头两部分.其承压能力要求大于倍的工作压力,循环脉冲能力至少应为 次.这与大多数承压容器的要求基本相仿.相关学者曾对承压水箱内胆的中段结构以及封头与中段连接部分的可靠性、极限载荷进行了理论研究 .承压水箱单凸内胆的下封头一般是内凹立式着地的,既要承受系统压力,还要承受水的重力作用.相对常规压力容器封头来说,承压水箱内胆封头的结构形式和规格对热泵性能的影响较大,设计时需重点考虑.本文以承压水箱美式单凸内胆的下封头为研究对象,采用有限元仿真方法,对常用的椭圆形封头、蝶形封头进行分析,以期为产品结构选型和设计提供有效的技术支撑.承压水箱内胆封头分类承压水箱的内胆封头作为保证承压水箱密闭性的重要部件,通过焊接与筒体连接在一起.封头结构一般由一个短圆筒和一个凸形球壳组成.短圆筒作为封头的直边段,与中段及其他相关结构部分相配合,能有效地避免封头和筒体连接处曲率半径的突变,改善焊缝部分的受力状况.承压水箱的内胆封头按形状分类,通常有平板封头、锥形封头和凸形封头.设计承压水箱时,从受力以及工艺性上考虑,通常采用凸形封头结构.凸形封头有半球形、碟形、椭圆形和无折边球形种.半球形封头的曲率半径固定,四周同向性较好,其受力情况在各种凸形封头中是最好(所受最大应力最低)的,但其制造工艺较为复杂,制作成本较高.因此,实践中一般采用椭圆现代设计技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,形和碟形作为压力容器内胆的封头结构,且目前已有相应标准 .椭圆形封头采用冲压工艺生产椭圆形封头,可以准确控制其形状.冲压工艺成形过程简单且成本较低,具有生产效率高、能适应大批量生产等优点,被广泛应用于机械加工领域.椭圆形封头断面如图所示.图椭圆形封头断面设H为以内径为基准的椭圆形封头深度,h为椭圆形封头的直边高度,则椭圆形封头的外径为:D(Hh)()本文在有限元分析时所用某壳体下封头的外径为 mm,壁厚为 mm和 mm两种规格.图所示为椭圆形封头的三维剖面视图.图椭圆形封头的三维剖面视图 碟形封头碟形封头又称为带折边球形封头.相较于椭圆形封头,碟形封头在生产时拉伸高度较小,对冲压设备及模具的要求较低,其生产成本更低,制造过程更简单,通常可应用于压力较低且对封头深度有严格要求或模具缺失的情况.碟形封头由内半径为R的球面、高度为h的圆筒直边、半径为r的球面直边过渡区(即转角部分)组成.碟形封头断面如图所示.图碟形封头断面设碟形封头的外径为D,则:RDr D()图所示为碟形封头的三维剖面视图.图碟形封头的三维剖面视图仿真模型简化用于有限元分析的模型应在保证计算精度的前提下尽量简化.为了更为准确地了解实际工况下封头的应力分布,可采用建模软件建立封头结构的三维模型,并进行几何处理,以简化其仿真模型.()热泵承压水箱内胆安装工况为立式落于地面.地面主要起支撑作用,其形变量基本可忽略,故可设置一个地面支撑面.其尺寸为:长 mm、宽 mm、高 mm.可视其为固定的无形变刚性平面.内胆封头与地面以无穿透方式相结合,并可通过摩擦作用限制封头相对地面的位移.()封头与内胆中段以焊接方式相连接.连接部分的环形面对封头的约束作用不可忽略,但其中现代设计技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期的应力分布非本文仿真分析关注的重点,故可在每个封头与内胆的配合位置保留高度为定值的内胆中段,并让其与封头相接触,对封头起环形约束作用.内胆直筒与下封头之间采用接合连接方式,以模拟焊接连接.()针对承压水箱内胆封头加工中端面按圆角形式切断,导致该端面与地面的线接触中存在应力突变而影响仿真结果准确性的问题,本文调整了封头结构细节的尺寸,使封头切断部分与其底面平台形成面接触.()热泵承压水箱内表面铺衬的搪瓷层与玻璃材料性能相近,为脆性材料,耐压能力强但易被拉裂.为简化模型,本文分析时不考虑该搪瓷层.()每组封头均为对称结构,且厚度较薄,而其网格化后过于精细,整体运算量大,计算时间较长.为减轻计算机运算压力,本文采用对称结构的薄壁模型并以二维简化方式进行简化,取封头结构模型的四分之一部分进行了分析.两种封头四分之一结构的三维模型如图所示.(a)椭圆形封头(b)碟形封头图两种封头四分之一结构的三维模型设置仿真参数和约束本文采用的封头材料为低合金高强度钢Q .其性能参数如表所示.表封头材料的性能参数弹性模量/MP a泊松比密度/(k gm)屈服极限/MP a 在工程实际中,构件之间总是以一定形式相互连接的,一个构件的运动会受到周围其他构件的限制.仿真时,圆筒和地面均能对封头起约束作用.封头与圆筒(圆筒材料同封头材料)以焊接方式相连接,两者之间存在约束作用,故可设置为接合连接方式.封头与地面(地面为不可变形刚体)为无穿透接触,两者之间存在摩擦作用,且摩擦系数可设置为 .封头结构的几何模型、约束条件和载荷都具有轴对称特性.为了节省运算时间,提高计算效率,可在仿真中建立四分之一封头结构的约束模型,进行求解.在轴对称结构固定的情况下,可对模型分割平面进行固定约束.三维封头结构的约束模型如图所示.(a)椭圆形封头(b)碟形封头图三维封头结构的约束模型施加载荷并划分网络 施加载荷有限元分析的主要目的是检验构件或结构在一定载荷条件下的力学响应能力.为了使求解结果更准确,施加的载荷必须与构件或结构的实际情况相符.在结构分析中,位移边界条件包括指定位移、对称边界(或反对称边界),载荷包括集中载荷(力和力矩)、表面载荷(主要是压力)等.在实际工况下,封头受到的载荷有内压、外压、圆筒自身重力等;但与内压相比,外压和自身重力作现代设计技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,用对封头的影响较小,可忽略不计.因此,对封头结构进行有限元分析时,施加的载荷可看作个轴向直筒向下的压力.施加的压力F值为:(水压)(m水 柱 对 封 头 承 压 面 产 生 的 压 强)(MP a).三维封头结构的载荷施加模型如图所示.(a)椭圆形封头(b)碟形封头图三维封头结构的载荷施加模型 划分网格在有限元分析中对三维模型进行网格划分,是一个很重要的步骤.算例的运算时间、输出结果的精确性,与网格的密度、大小和几何形状有密切关系.网格划分常需遵循曲率控制、单元尺寸与数量控制、穿透控制等准则.网格质量即为网格几何形状的合理性,如果网格质量较差,则可能会导致运算程序报错.网格质量一般用细长比、锥度比、内角、翅曲度、边节点位置偏差等指标来度量.在静力学分析时,如果只需计算结构的变形,则可减少网格数量;如果要计算应力,则在精度要求一定的情况下需要划分较细小的网格.本文主要分析封头的受力情况,所以需要将封头部位的网格划分得密集一些,而其他部位(如筒体和地面)的网格可划分得相对稀疏些.可将封头的单元尺寸定为 mm,比例定为;而将筒体和地面的单元尺寸定为 mm,比例定为.图所示为两种封头结构的网格化模型.(a)椭圆形封头(b)碟形封头图两种封头结构的网格化模型仿真与讨论 仿 真为了防止材料缺陷、工作偏差、所受外力突增等因素引起的结构失效问题,可以按类屈服准则来定义结构的安全系数,即最大v o nM i s e s应力准则、最大抗剪应力准则、M o h r C o u l o m b应力准则和最大法向应力准则.对于本文仿真所用延性材料,一般采用最大v o nM i s e s应力准则或最大抗剪应力准则.抗剪应力准则主要用于预测绝对最大抗剪应力(m a x)达到在简单张力测试中能导致材料屈服的应力,而最大v o nM i s e s应力准则的适用范围更广.因此,本文采用v o nM i s e s应力准则来定义安全系数,并进行了仿真计算.最大v o nM i s e s应力为:v o nM i s e s()()()()现代设计技术成组技术与生产现代化 年第 卷第期式中:为模型空间中某一点的第一主应力;为模型空间中某一点的第二主应力;为模型空间中某一点的第三主应力.与最大v o nM i s e s应力相应的安全系数计算式为:安全系数L i m i tv o nM i s e s()式中,L i m i t为材料的极限应力.在同一设定环境下,两种封头静应力最大值和安全系数最小值的仿真结果如表所示.表两种封头静应力最大值和安全系数最小值的仿真结果封头类型壁厚/mm静应力最大值/MP a安全系数最小值椭圆形 碟形 图所示为仿真所得壁厚为 mm的两种封头等效应力云图.(a)椭圆形封头(b)碟形封头图仿真所得壁厚为 mm的两种封头等效应力云图 讨 论由表可看出,在相同工况下,种规格的封头中壁厚为 mm的碟形封头最大应力值最大,为 MP a,而壁厚为 mm的椭圆形封头最大应力值最小,为 MP a;在种规格的封头中,最大的静应力最大值与最小的静应力最大值之比约为,而且,壁 厚 为 mm的 椭 圆 形 封 头 比 壁 厚 为 mm碟形封头的承压能力更强.现代设计技术G r o u pT e c h n o l o g y&P r o d u c t i o nM o d e r n i z a t i o nV o l ,N o ,从仿真所得安全系数的最小值可以看出,壁厚为 mm和 mm的碟形封头安全系最小值均接近于,虽然在理论上可以满足结构稳定的条件,但受原料、使用工况、水质等影响,相应结构的应力可能会超出其应力极限,易发生结构失稳现象.碟形封头与相同规格椭圆形封头结构相比,其安全性能较差,容易失效.由图可以看出,椭圆形封头出现最大静应力的位置在椭圆内表面中段,应力分布较为分散且均匀,而碟形封头出现最大静应力的位置在碟形半径为r的圆角过渡段内表面,应力较为集中.在受力情况和材料种类相同的情况下,相比于碟形封头,椭圆形封头的结构承压能力更强.而若需采用碟形封头,则相较椭圆形封头需适当增加壁厚,以确保其具有足够的安全系数.结 论有限元分析方法可以较精确地模拟实际工况下材料的应力、应变和结构安全系数等情况.本文对热泵承压水箱内胆封头进行有限元分析,得出了如下结论:椭圆形封头比碟形封头承压能力更强,安全系数更大;在满足产品质量要求的前提下,可将成本较低的壁厚为 mm的椭圆形封头用于生产,但若采用碟形封头,则需适当增加壁