基于SolidWorks Simulation固定管板式换热器热应力分析

　　固定管板式换热器是应用非常广泛的管壳式换热器。由于制造温度和工作温度不同，筒体及换热管在温差下会产生热膨胀变形差。对未装设弹性膨胀节的换热器，因管板将简体和换热管连成一体，为协调两者的变形差，必须使膨胀量大的材料受压缩，以缩短其自由膨胀的尺寸；膨胀量小的材料受拉伸，以延长其自由膨胀尺寸，从而使简体及换热管间出现温差应力。温差应力大小不仅与材料的平均线膨胀系数B、材料的弹性模量E及温差△t有关，而且与换热器本身结构相关，要精确计算其热力场及温差应力是非常困难的，目前相关标准中的计算方法都是在简化、假设的条件下计算的，不能精确反映温差应力的分布。本文从有限元角度，运用 Simulation有限元分析模块和三维建模软件相结合的方法来分析计算固定管板式换热器的热应力即温差应力。

　　1 SolidWorks Simulation及其热应力分析原理

　　Solidworks Simulation是为三维建模软件开发的无缝集成有限元分析模块， Solidworks Simulation是当今世上最快的有限元分析软件，采用的是快速有限元算法（FFE）技术。快速有限元算法（FFE）是工程设计分析人员的分析利器。快速有限元算法中图形化的操作界面可直观地划分网格单元、定义边界载荷条件及快速地求解计算结果，其分析结果与理论结果十分相近。SRAC公司的快速有限元算法（FFE）模块除了速度快之外，还会针对不同分析问题，自动选择正确的求解器来求解。另外它提供预警功能，在正式解题之前，快速有限元算法首先会检查待分析的模型是否完全定义，否则快速有限元算法将停止计算，使计算机不必浪费时间来做无谓的运算；并且在解题之前，快速有限元算法会自动评估磁盘空间，判断磁盘空间是否足够用来分析工程模型。在分析过程中，快速有限元算法亦会显示计算进度及计算时间，以方便了解求解的进度。

　　热效分析模块用来分析稳态和瞬态加热条件如对流、传导和辐射问题（二维和三维），计算温度，温度梯度和热流，解算模拟场应用。在换热器的热应力分析中主要热力来源是热传导。热传导就是热能通过介质的原子或分子从一点传到另一点的传热方式，热传导的介质包括固体、液体和气体。通过一平板的热传导的速率与传热面积、温度梯度成正比与板厚成反比。

　　Q_传到=KA(T1-T2)/X=KAdT/dx

　　K——传导率，W/m.℃或(Btu/s)/in.°F

　　dT/dx——温度梯度

　　温度的变化会导致刚性物体的产生变形、应变和应力。热应力分析是指在静态分析中引入热力分析。