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管翅式换热器多层弯曲成形工艺仿真分析

晨怡热管 上海交通大学机械与动力工程学院 张鹏 李大永 唐鼎 2009-11-8 11:44:31

摘要:随着管翅式换热器在制冷行业的广泛应用,换热器多层弯曲成形工艺成为影响换热性能的关键环节。与传统的单层弯曲工艺相比,多层弯曲成形工艺中翅片与弯曲模接触应力增大,易造成翅片的局部压溃,降低换热性能。该文以空调换热器普遍使用的波纹翅片为研究对象,建立了管翅式换热器多层弯曲成形过程的有限元模型,研究弯曲成形过程中弯曲模对换热器的正压力变化及应力应变分布规律,分析翅片产生压溃的原因及关键区域。并结合相关试验验证,确立多层弯曲成形工艺参数与成形性能之间的关系。
 

    引 言

     管翅式换热器作为一种紧凑式换热器,在制冷行业具有广泛的应用。随着空调与制冷行业的技术发展,以及环保法规的进一步严格控制,对换热单元自身换热性能的要求更加严格,以弥补替代制冷剂性能低下[1-3]。因此,换热器结构(换热管和翅片类型)以及相关换热器成形工艺是影响换热性能的重要因素,对于提高换热器的整体换热性能具有重要的意义。

    换热器经穿片、胀接工艺后要进行弯曲加工弯曲成形工艺是换热器成形的关键工艺之一,对换热器的性能具有重要影响。在传统的换热器弯曲工艺中,大多采用单层弯曲后组装的方法。为了提高加工效率,目前多采取多层换热器一次弯曲成形的工艺(见图1所示)。该工艺中局部翅片与弯曲模具的接触应力较单层换热器弯曲成形高,造成弯曲成形后局部翅片易被压溃,管翅连接松动变形,从而影响换热器的换热性能和可靠性。

    目前已有的对换热器弯曲工艺的研究,主要以解析法和试验方法研究为主,这些方法都很难满足生产中对换热器成形过程参数的快速获取,不利于提高生产效率、产品多样化和对市场的快速响应本文以管翅式换热器为对象,采用有限元的方法对多层弯曲工艺进行仿真,通过对换热器弯曲成形过程中重要成形参数的研究,分析影响成形质量的原因,为成形工艺的改进提供理论指导。

                  

    1 弯曲成形机理

    弯曲成形的机理如图2所示,当弯曲驱动力作用于铜管端部时,弯曲模对铜管的作用力是通过翅片间接传递的,所以翅片能否抵抗足够的弯曲力成为换热器弯曲工艺性的关键问题[4-6]。在换热器弯曲加工过程中,翅片的变形不仅仅由其材料本身的屈服极限决定,而是翅片的刚度起决定作用。由于翅片很薄,在施加的正向压力超过临界压力时,翅片极易因刚度不足而导致失稳,并产生骨牌效应而迅速扩散,引起翅片大面积压溃。

                 

    因此,换热器弯曲加工过程中,弯曲模对换热器翅片的正压力是换热器弯曲成形质量影响的主要因素。

    2 有限元模型的建立

    本研究中的模型涉及材料非线性、大变形以及接触非线性,隐式算法很难保证结果稳定与收敛,本研究采用了通用非线性动力显式算法分析软件LS-DYNA。

    2·1 边界条件测定及设置

    翅片-模具(及塑料隔膜)间的摩擦系数是换热器的弯曲加工过程中的重要工艺参数,对翅片的变形模式等有重要影响。因此,准确测量弯曲加工过程中相关的摩擦系数,对于正确建立换热器弯曲工艺的有限元模型具有重要意义。

    通过在MPX-2000型摩擦系数测量机进行摩擦系数测量试验,测得翅片-模具间动摩擦系数约为0·2,翅片-塑料隔膜间的动摩擦系数约为0·3,摩擦系数根据测量结果进行设置。根据实际弯曲工艺的特点,模型采用左右对称的边界条件设置。

    2·2 几何模型

    有限元几何模型如图3所示,由5部分组成:换热器、弯曲模、压模、底板和塑料隔膜。模型5个部分均采用壳单元处理。

                 

    对于翅片,由于目前换热器翅片为增加对流散热的效果,横截面设计为波纹状,为了真实地模拟翅片的变形模式,提高仿真的精确性,模型也采用了波纹状翅片。换热管和翅片的连接,模型采用了将翅片与换热管节点啮合的方法处理,以简化模型,减少网格数量和建模时间。模具作为刚体处理。

    2·3 材料特性

    换热器由换热管和翅片组成。换热管的材料采用C12200铜管。为了获得比较准确的铜管的机械性能,进行了拉伸试验,获得了等效应力-应变曲线(见图4所示)。其等效应力-应变关系为:

                 

                 

    3 结果讨论与试验验证

    3·1 压缩仿真与试验对比

  为了验证换热器弯曲加工过程中翅片的失效模式,进行了翅片的抗压强度试验。试验采用由20个翅片组成的换热器单元,在材料试验机上进行测量(如图5)。

                 

    如图6力-位移曲线所示:曲线1达到130N前,正压力近似线性增长;在达到130N的临界压力后,翅片开始失稳,向波纹开口方向压缩变形,其产生变形所需压力急剧下降;随着变形加大,翅片被压溃后压力开始趋于稳定。从图6可以看出,换热器翅片在正压力的作用下,当压力达到一定值时,抗压强度急剧下降,翅片出现较大程度的压溃。试验表明,换热器弯曲中翅片压溃的原因主要是翅片所受压力超过其临界压力。

                 

    为了验证仿真模型中换热器翅片与管模型的正确性,进行了抗压强度的仿真。仿真所得力-位移曲线如图6中曲线2所示,该曲线与试验曲线吻合较好。由此可知,换热器模型能够真实的反映翅片的变形模式。

    3·2 弯曲加工中的正压力

  弯曲模的正压力是弯曲加工工艺中的重要参数,其大小是影响翅片变形的关键因素。弯曲模主要工作区域如图7所示,其正压力的变化曲线如图8所示,在起始阶段,由于换热器弯曲模工作段与翅片没有接触,正压力为0;在进入工作段后,正压力近似线性方式快速增长,并在较短的时间达到峰值;峰值过后,在120N~180N之间振荡;随后逐渐减小。弯曲振荡的主要原因是在弯曲过程中,换热器绕弯曲模弯曲,翅片与弯曲模接触的数量呈近似周期性变化,在某段弯曲开始时,受力翅片由少变多,在该部位弯曲完成后翅片又逐渐脱离弯曲模。峰值出现在弯曲模直线与圆弧过渡段进入工作的位置。

                 

    翅片压溃的主要原因是翅片所受正压力超过其失稳的临界压力,而正压力峰值处发生翅片压溃的概率最大。因此,在进行弯曲模设计时,应使弯曲模直线与圆弧过渡光滑缓慢,避免受载翅片数量急剧减少,导致单个翅片受载超过临界压力。

    3·3 翅片受力状态分析

    应力和应变状态是正确分析工件塑性加工有关问题的重要基础[7-8]。从等效应力图9可以考察换热器弯曲后翅片的应力分布规律。图9中所示的等效应力较大的部位出现在翅片的中部,并集中在弯曲模直线与圆弧过渡段进入工作的位置。由应力的分布可见,翅片与管接触的部位应力大于翅片表层应力,表明弯曲模对换热管的作用力通过翅片根部传递。应力峰值出现在正压力最大的位置,且表面应力分布呈周期变化,与弯曲加工中翅片所受正压力的变化规律吻合。由于弯曲加工过程中翅片的受载数量呈近似的周期变化,为减小单一翅片载荷,应尽量扩大承载范围,在工艺允许的条件下增加翅片的密度,减小单个翅片的受载,有利于避免翅片压溃,提高成形质量。

                  

    从等效塑性应变图10可以看到,应变集中在弯曲模直线与圆弧过渡段进入工作的位置,应变集中的部位,是换热器翅片发生压溃的部位,说明弯曲过程中翅片所受正压力的峰值超过了翅片的临界压力,翅片失稳。因此,该部位也是对换热器弯曲成形质量起决定作用性影响的关键区域。应变分布云图可以清楚地反映弯曲后翅片被压溃的部位及程度。

                   

    3·4 弯曲仿真与试验对比

    换热器弯曲试验表明,在弯曲过程中,在换热器弯曲段翅片有局部压溃,如图11a所示。而弯曲仿真结果与试验在压溃部位以及程度上与试验基本相似如图11b,表明换热器弯曲模型较真实的反映了弯曲工艺过程。

                   

    4 结 论

    本文研究,可以为进一步改进换热器多层弯曲工艺提供一定的理论依据。

    1)显式算法有限元仿真模型,可以较好地对管翅式换热器弯曲成形进行模拟,仿真与试验结果相符合。

    2)试验表明,换热器弯曲成形过程中,翅片压溃的原因主要是翅片所受压力超过其临界压力,导致翅片失稳。

   3)加工过程中翅片所受正压力的在峰值出现后呈线周期性振荡,峰值出现在弯曲模直线段与圆弧段连接处进入工作的位置。

    4)弯曲过程中,弯曲模直线与圆弧过渡段进入工作的位置,是对换热器弯曲成形质量起决定作用性影响的关键区域,压溃出现在该区域。

    参考文献

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    [8] 俞汉清,陈金德.金属塑性成形原理[M].北京:机械工业出版社,2001

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