管板换热器热与机械应力分析

立足ASME设计规范，同时兼顾GB-150和JB-4732压力容器设计规范。笔者基于ANSYS Workbench 2022R1开发了《压力容器应力分析项目实战全流程进阶16讲》，通过大量的理论和工程实例讲解，使学员在较短时间内全面而深入的掌握ANSYS Workbench在压力容器行业的使用方法，

一、管板换热器热与机械应力分析

首先展示一个经典案例：管板换热器热应力+机械应力的仿真分析流程。主要包含材料定义、网格划分、分析设置、温度场分析、热应力+机械应力分析等。

1、材料定义

本次分析所用的材料如下图所示，因为是热应力+机械应力分析，所以需要定义材料的热性能参数和机械性能参数。

2、网格划分

管板换热器结构需要在几何处理环节进行简单的切分，才能划分为纯六面体网格。网格划分设置和网格外形如下所示。

3、分析设置

管板换热器的温度场分析和应力分析如下图所示。左侧为温度场的分析条件，右侧为热应力+机械应力的分析条件。

4、温度场分析

管板换热器的温度场分析结果如下图所示。

5、热应力+机械应力分析

管板换热器的热应力+机械应力分析结果如下图所示。

二、分析设计已经是行业内共识

压力容器的分析设计比常规设计更细致，更科学，对材料的应用也更合理，但也更有难度和挑战。

（1）分析设计越来越普遍。可预见，在不久的将来，分析设计不再是一项高级技术，而是一种与常规设计可相互替换和补充的设计方法，每个设计人员都应该掌握。

（2）设计规范和有限元分析软件的融合。目前分析设计绝大部分采用有限元软件完成，但规范对如何运用有限元软件进行压力容器及其元件的设计和评估并未给出详细的指导。

（3）有限元分析软件功能强大而复杂。有限元软件具备丰富的单元类型、网格划分功能、边界条件设置、后处理操作等。软件功能强大并且技术更新快，要对其熟练掌握，无疑有一定难度。

（4）有限元分析的正确性由设计者负责。这就要求分析设计人员既要对设计规范有充分的认知，理解规范条款的理论基础和来源；也要了解有限元理论知识，熟悉有限元软件的使用。

三、分析设计教程图书现状

相比常规设计，分析设计对工程师有更高的理论要求。行业内一致高度认可的理论教材当属：李建国老师编著的《压力容器设计的力学基础及其标准应用》。李老师的书深入浅出，既适合基础薄弱的分析设计新手，也能启发分析设计的老司机。但是，该书出版于2004年，不能体现近二十年来压力容器的理论发展。

在分析设计软件工具的应用方面，目前是ANSYS Mechanical一家独大，这得益于ANSYS在压力容器行业推广最早。所以市面上关于分析设计最多的是ANSYS软件的教材。截止目前，市面上依然以ANSYS经典界面教材为主，其中不乏精品；但是，Workbench界面教材不多见，仍需继续提供。

ANSYS经典界面是上个世纪的产品，界面设计落后，并且在几何处理和网格划分上全面落后于Workbench界面。Workbench经过二十年来的发展，界面友好，功能强大，操作简便，学习门槛低，使用效率高，已经成为ANSYS结构分析最主流的产品，ANSYS经典界面事实上已经处于被淘汰的边缘。

在ANSYS经典界面教材方面，栾春远老师出版了多本。

余伟炜老师和王泽军老师的ANSYS经典界面教材也非常经典。

在Workbench界面教材方面，栾春远老师两年前出版了一本，许京荆老师2010年出过教程，质量还可以，但篇幅精简，可能落后于Workbench界面十多年的发展。

沈鋆老师分别于2014年和2016年出版过相关书籍，但只在部分章节粗略的介绍了Workbench界面在压力容器行业的应用，可能不足以让读者掌握Workbench界面的应用。

编辑：黄飞