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管翅式換熱器多層彎曲成形工藝仿真分析

點擊:1522 日期:[ 2014-04-26 22:05:46 ]
                              管翅式換熱器多層彎曲成形工藝仿真分析                                      張鵬 李大永 唐鼎                          (上海交通大學機械與動力工程學院,上海200240)      摘要:隨著管翅式換熱器在制冷行業的廣泛應用,換熱器多層彎曲成形工藝成為影響換熱性能的關鍵環節。與傳統的單層彎曲工藝相比,多層彎曲成形工藝中翅片與彎曲模接觸應力增大,易造成翅片的局部壓潰,降低換熱性能。該文以空調換熱器普遍使用的波紋翅片為研究對象,建立了管翅式換熱器多層彎曲成形過程的有限元模型,研究彎曲成形過程中彎曲模對換熱器的正壓力變化及應力應變分布規律,分析翅片產生壓潰的原因及關鍵區域。并結合相關試驗驗證,確立多層彎曲成形工藝參數與成形性能之間的關系。     關鍵詞:多層彎曲成形  管翅式換熱器  有限元仿真  翅片     中圖分類號:TG376·9   文獻標識碼:A  文章編號:1007-2012(2008)05-0091-04      引 言      管翅式換熱器作為一種緊湊式換熱器,在制冷行業具有廣泛的應用。隨著空調與制冷行業的技術發展,以及環保法規的進一步嚴格控制,對換熱單元自身換熱性能的要求更加嚴格,以彌補替代制冷劑性能低下[1-3]。因此,換熱器結構(換熱管和翅片類型)以及相關換熱器成形工藝是影響換熱性能的重要因素,對于提高換熱器的整體換熱性能具有重要的意義。     換熱器經穿片、脹接工藝后要進行彎曲加工彎曲成形工藝是換熱器成形的關鍵工藝之一,對換熱器的性能具有重要影響。在傳統的換熱器彎曲工藝中,大多采用單層彎曲后組裝的方法。為了提高加工效率,目前多采取多層換熱器一次彎曲成形的工藝(見圖1所示)。該工藝中局部翅片與彎曲模具的接觸應力較單層換熱器彎曲成形高,造成彎曲成形后局部翅片易被壓潰,管翅連接松動變形,從而影響換熱器的換熱性能和可靠性。     目前已有的對換熱器彎曲工藝的研究,主要以解析法和試驗方法研究為主,這些方法都很難滿足生產中對換熱器成形過程參數的快速獲取,不利于提高生產效率、產品多樣化和對市場的快速響應本文以管翅式換熱器為對象,采用有限元的方法對多層彎曲工藝進行仿真,通過對換熱器彎曲成形過程中重要成形參數的研究,分析影響成形質量的原因,為成形工藝的改進提供理論指導。                        1 彎曲成形機理     彎曲成形的機理如圖2所示,當彎曲驅動力作用于銅管端部時,彎曲模對銅管的作用力是通過翅片間接傳遞的,所以翅片能否抵抗足夠的彎曲力成為換熱器彎曲工藝性的關鍵問題[4-6]。在換熱器彎曲加工過程中,翅片的變形不僅僅由其材料本身的屈服極限決定,而是翅片的剛度起決定作用。由于翅片很薄,在施加的正向壓力超過臨界壓力時,翅片極易因剛度不足而導致失穩,并產生骨牌效應而迅速擴散,引起翅片大面積壓潰。                       因此,換熱器彎曲加工過程中,彎曲模對換熱器翅片的正壓力是換熱器彎曲成形質量影響的主要因素。     2 有限元模型的建立     本研究中的模型涉及材料非線性、大變形以及接觸非線性,隱式算法很難保證結果穩定與收斂,本研究采用了通用非線性動力顯式算法分析軟件LS-DYNA。     2·1 邊界條件測定及設置     翅片-模具(及塑料隔膜)間的摩擦系數是換熱器的彎曲加工過程中的重要工藝參數,對翅片的變形模式等有重要影響。因此,準確測量彎曲加工過程中相關的摩擦系數,對于正確建立換熱器彎曲工藝的有限元模型具有重要意義。     通過在MPX-2000型摩擦系數測量機進行摩擦系數測量試驗,測得翅片-模具間動摩擦系數約為0·2,翅片-塑料隔膜間的動摩擦系數約為0·3,摩擦系數根據測量結果進行設置。根據實際彎曲工藝的特點,模型采用左右對稱的邊界條件設置。     2·2 幾何模型     有限元幾何模型如圖3所示,由5部分組成:換熱器、彎曲模、壓模、底板和塑料隔膜。模型5個部分均采用殼單元處理。                       對于翅片,由于目前換熱器翅片為增加對流散熱的效果,橫截面設計為波紋狀,為了真實地模擬翅片的變形模式,提高仿真的精確性,模型也采用了波紋狀翅片。換熱管和翅片的連接,模型采用了將翅片與換熱管節點嚙合的方法處理,以簡化模型,減少網格數量和建模時間。模具作為剛體處理。     2·3 材料特性     換熱器由換熱管和翅片組成。換熱管的材料采用C12200銅管。為了獲得比較準確的銅管的機械性能,進行了拉伸試驗,獲得了等效應力-應變曲線(見圖4所示)。其等效應力-應變關系為:                                         3 結果討論與試驗驗證     3·1 壓縮仿真與試驗對比   為了驗證換熱器彎曲加工過程中翅片的失效模式,進行了翅片的抗壓強度試驗。試驗采用由20個翅片組成的換熱器單元,在材料試驗機上進行測量(如圖5)。                       如圖6力-位移曲線所示:曲線1達到130N前,正壓力近似線性增長;在達到130N的臨界壓力后,翅片開始失穩,向波紋開口方向壓縮變形,其產生變形所需壓力急劇下降;隨著變形加大,翅片被壓潰后壓力開始趨于穩定。從圖6可以看出,換熱器翅片在正壓力的作用下,當壓力達到一定值時,抗壓強度急劇下降,翅片出現較大程度的壓潰。試驗表明,換熱器彎曲中翅片壓潰的原因主要是翅片所受壓力超過其臨界壓力。                       為了驗證仿真模型中換熱器翅片與管模型的正確性,進行了抗壓強度的仿真。仿真所得力-位移曲線如圖6中曲線2所示,該曲線與試驗曲線吻合較好。由此可知,換熱器模型能夠真實的反映翅片的變形模式。     3·2 彎曲加工中的正壓力   彎曲模的正壓力是彎曲加工工藝中的重要參數,其大小是影響翅片變形的關鍵因素。彎曲模主要工作區域如圖7所示,其正壓力的變化曲線如圖8所示,在起始階段,由于換熱器彎曲模工作段與翅片沒有接觸,正壓力為0;在進入工作段后,正壓力近似線性方式快速增長,并在較短的時間達到峰值;峰值過后,在120N~180N之間振蕩;隨后逐漸減小。彎曲振蕩的主要原因是在彎曲過程中,換熱器繞彎曲模彎曲,翅片與彎曲模接觸的數量呈近似周期性變化,在某段彎曲開始時,受力翅片由少變多,在該部位彎曲完成后翅片又逐漸脫離彎曲模。峰值出現在彎曲模直線與圓弧過渡段進入工作的位置。                       翅片壓潰的主要原因是翅片所受正壓力超過其失穩的臨界壓力,而正壓力峰值處發生翅片壓潰的概率最大。因此,在進行彎曲模設計時,應使彎曲模直線與圓弧過渡光滑緩慢,避免受載翅片數量急劇減少,導致單個翅片受載超過臨界壓力。     3·3 翅片受力狀態分析     應力和應變狀態是正確分析工件塑性加工有關問題的重要基礎[7-8]。從等效應力圖9可以考察換熱器彎曲后翅片的應力分布規律。圖9中所示的等效應力較大的部位出現在翅片的中部,并集中在彎曲模直線與圓弧過渡段進入工作的位置。由應力的分布可見,翅片與管接觸的部位應力大于翅片表層應力,表明彎曲模對換熱管的作用力通過翅片根部傳遞。應力峰值出現在正壓力最大的位置,且表面應力分布呈周期變化,與彎曲加工中翅片所受正壓力的變化規律吻合。由于彎曲加工過程中翅片的受載數量呈近似的周期變化,為減小單一翅片載荷,應盡量擴大承載范圍,在工藝允許的條件下增加翅片的密度,減小單個翅片的受載,有利于避免翅片壓潰,提高成形質量。                        從等效塑性應變圖10可以看到,應變集中在彎曲模直線與圓弧過渡段進入工作的位置,應變集中的部位,是換熱器翅片發生壓潰的部位,說明彎曲過程中翅片所受正壓力的峰值超過了翅片的臨界壓力,翅片失穩。因此,該部位也是對換熱器彎曲成形質量起決定作用性影響的關鍵區域。應變分布云圖可以清楚地反映彎曲后翅片被壓潰的部位及程度。                         3·4 彎曲仿真與試驗對比     換熱器彎曲試驗表明,在彎曲過程中,在換熱器彎曲段翅片有局部壓潰,如圖11a所示。而彎曲仿真結果與試驗在壓潰部位以及程度上與試驗基本相似如圖11b,表明換熱器彎曲模型較真實的反映了彎曲工藝過程。                         4 結 論     本文研究,可以為進一步改進換熱器多層彎曲工藝提供一定的理論依據。     1)顯式算法有限元仿真模型,可以較好地對管翅式換熱器彎曲成形進行模擬,仿真與試驗結果相符合。     2)試驗表明,換熱器彎曲成形過程中,翅片壓潰的原因主要是翅片所受壓力超過其臨界壓力,導致翅片失穩。    3)加工過程中翅片所受正壓力的在峰值出現后呈線周期性振蕩,峰值出現在彎曲模直線段與圓弧段連接處進入工作的位置。     4)彎曲過程中,彎曲模直線與圓弧過渡段進入工作的位置,是對換熱器彎曲成形質量起決定作用性影響的關鍵區域,壓潰出現在該區域。     參考文獻     [1] 周昆穎.緊湊換熱器[M].北京:中國石化出版社,1998     [2] 周明霞.國內外換熱器技術進展[J].壓力容器,1995.12(1):19-23     [3] PrabhatKumarGupta,PKKush,AsheshTiwari.De- signandoptimizationofcoilfinned-tubeheatexchang- ersforcryogenicapplications[J].Cryogenics,2007.47(5-6):322-332     [4] 王瑩.空調冷凝器彎曲成形分析及成形機設計[J].模具工業,1998.(10):22-25     [5] 王同海.管材塑性加工技術[M].北京:機械工業出版社,1998     [6] HAAl-Qureshi.Elastic-plasticanalysisoftubeben- ding.InternationalJournalofMachineToolsandMan- ufacture[J].1999.39(1):87-104     [7] 彭穎紅.金屬塑性成形仿真技術[M].上海:上海交通大學出版社,1999     [8] 俞漢清,陳金德.金屬塑性成形原理[M].北京:機械工業出版社,2001
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