板翅式换热器夹层结构等效模型探究及数值分析探究.pdfVIP

10 板翅式换热器夹层结构等效模型研究及数值分析 2016年 1月 板翅式换热器夹层结构等效模型研究及数值分析 冯琨程 ，刘 波 ，张恩 阳 (中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033) 摘要：依据薄板小挠度弯曲变形理论和正交各向异性夹层板弯曲变形理论 ，对板翅式换热器这种特定的金属夹层结构进 行等效模型研究，通过建立有限元等效模型的方法研究板翅式换热器的力学参数。使用有限元前处理软件Patran对换热器夹 层结构进行几何简化并独立成具有代表性的胞元，在多种边界条件下，提取胞元的应变分量和弯曲内力。结合夹层板应力与 应变的本构关系计算刚度矩阵，从而求出宏观等效弹性常数。通过该方法可以将板翅式换热器夹层板等效成连续材料的单层 板单元，最后将等效计算模型的力学参数用于板翅式换热器的模态分析，并与模态实验分析结果进行对比，验证等效分析方法 的合理性和有效性。 关键词 ：板翅式换热器夹层结构；有限元等效模型；本构关系；等效弹性常数 中图分类号：TB332 文献标识码 ：A 文章编号：1003—0999(2016)0卜0010—07 1 前 言 参数，导致仿真分析不能直接进行，因此需要采用等 板翅式换热器作为一种各行业较为常用的散 效的方法对夹层结构进行处理。 热器，具备散热效率高、结构紧凑、经济性突出、适用 等效理论在有限元分析中得到了广泛应用，目 性广等特点，近年来在航空航天、汽车、船舶、发动 前国内外在夹层结构等效方面的研究已经取得显著 机、核工业等领域得到了迅速的发展和广泛的应用。 成果，依据不同的夹层结构可以分为多种类型，如蜂 为了提高板翅式换热器的产品质量和环境适应 窝夹层结构、波纹夹层结构、点阵夹层结构等 J。 性，确保板翅式换热器夹层结构在复杂振动环境中 RavishankarB等 采用有限元分析法对波纹板进行过 不发生致命性破坏，需要对其力学性能进行研究。 等效研究，取得了很好的效果。张芝年等 根据Hoff 根据板翅式换热器的结构组成形式可以将其作为金 型夹层板弯曲理论，采用有限单元法推导夹层板单 属夹层板进行分析，对金属夹层板进行力学性能评 元的刚度矩阵、质量矩阵，用以计算一般夹层板的变 价时，主要可以通过实验方法、解析法以及有限元模 形、应力或 自由振动。富明慧等 对具有蜂窝芯层的 拟等分析方法来评价。由于受到实验条件、实验成 夹层板进行了等效力学参数研究。ChengQH等 ll0_ 本和实际夹层板尺寸的限制，实验方法往往难 以进 应用有限元等效分析方法，研究了多种夹芯层合板 行。目前，国内外对金属夹层结构进行等效分析时 的等效刚度，并通过算例验证该方法的有效性。 多采用解析法，如材料力学法 ¨J、弹性力学法 j、变 本文首次采用有限元分析法，依据正交各向异 形能法 等。在采用解析法对金属夹层结构进行 性夹层板的弯曲变形理论，对具有锯齿形翅片夹芯 分析时，需要考虑夹芯层内部的复杂结构，利用等效 的板翅式换热器结构进行等效模型分析，得到具有 公式对夹芯结构的力学参数进行推导，同时不同类 实际工程价值的等效弹性常数，将等效模型的力学 型的夹层板夹芯结构不同导致分析过程和等效公式 参数应用于换热器的模态分析中，并与真实模型的 也不同。对于复杂结构夹层板的等效公式则更难通 实验测量分析结果进行对比，证明了等效计算结果 过解析法获得，所以使用解析法对夹层结构进行等 的有效性和准确性。 效分析也存在一定的复杂性。有限元分析法不必考 虑夹芯结构，可以避免各类夹层板的等效公式繁琐 2 板翅式换热器夹层结构等效