CN101976291B

CN101976291B - 一种热交换器板片的制作方法

Info

Publication number: CN101976291B
Application number: CN201010529406A
Authority: CN
Inventors: 胡国栋; 王纪兵; 常春梅
Original assignee: Mechanical Industry Lanzhou Petroleum Drilling & Refining Equipment Quality Detection Institute Co; Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co Ltd; Lanzhou Petroleum Machinery Research Institute; Lanzhou Lanya Petrochemical Equipment Engineering Co Ltd
Current assignee: Mechanical Industry Lanzhou Petroleum Drilling & Refining Equipment Quality Detection Institute Co; Shanghai Lanbin Petrochemical Equipment Co Ltd; Lanzhou Petroleum Machinery Research Institute; Lanzhou Lanya Petrochemical Equipment Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: CN101976291A

Abstract

本发明公开了一种热交换器板片的优化设计方法，根据对热交换器板片的参数要求和限制条件，建立材料数据库，进行材料成型性能试验；建立模具模具模型；和标准试样数据库；对热交换器板片的冲压过程进行模拟，并与标准试样数据库进行对比，分析模拟冲压过程中板片的缺陷，判断模拟结果是否符合测试规范，若不符合，调整模具的拓扑结构及局部部位几何尺寸，再次进行分析及模拟测试，直到模拟结果完全符合测试规范为止。将模拟结果符合测试规范的热交换器板片对应模具的各种参数输出；制造模具。本发明优化设计方法将传统方法中的试制样板和改造模具两个环节集成为数字制造环节，减少设计中的盲目性，避免模具的报废，缩短热交换器板片的开发周期。

Description

一种热交换器板片的制作方法

技术领域

本发明属于机械设计与制造技术领域，涉及一种热交换器板片的制作方法。

背景技术

热交换器板片广泛应用于石油化工、航空航天、热电核电、食品制药等行业的热交换器、空冷器、空气预热器、蒸发器等设备。随着设备的大型化，热交换器板片的加工制造出现了诸多问题，如板片的局部出现严重减薄、开裂、翘曲等成形缺陷，而热交换器板片成形质量的下降，导致模具的返修频率增加，模具的报废几率也随之增大。

目前热交换器板片的设计仍然采用传统的设计方法，即依次经过板型设计、模具设计、制造模具、试制板片、改造模具等阶段，直至制造出合格的板片。但在改造模具阶段，由于过分依靠操作者的经验技能，缺少必要的技术支持，存在着较大的盲目性，稍有不慎就可能造成模具的报废。同时，需要反复试制样板、修改模具，造成热交换器板片的开发周期被延长。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种热交换器板片的制造方法，以取代传统的制造方法，减少设计中的盲目性，避免模具的报废，缩短热交换器板片的开发周期。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种热交换器板片的制造方法，该方法将传统方法中的试制样板和改造模具两个环节集成为数字制造环节，通过模拟冲压制作过程，在设计阶段预测和评估热交换器板片的加工性能和使用性能，具体按以下步骤进行：

步骤1：根据对热交换器板片的参数要求和限制条件，建立制造该热交换器板片的材料数据库，并进行材料成型性能试验；

步骤2：根据原始板型的设计数据建立步骤1中热交换器板片的3D模型及制造该热交换器板片所需的上模具3D模型和下模具3D模型；

步骤3：建立标准试样数据库，该标准试样数据库用于存储测试规范，包括各种测试条件及与之相关的测试标准；以软件LSprepost作为后处理模块，通过导入CAE分析模块结果文档，提取有关数据；

所述后处理模块是CAE分析模块对板片成型性能参照的主要指标，开发CAE分析模块的基本步骤：

进入软件ANSYS/LS-DYNA，打开步骤2所保存的文档建立有限元模型；

(1)定义单元：选择壳单元，设定单元的属性为能正确计算翘曲情况的单点积分单元；

(2)定义实常数：将板片的实际厚度定义为单元的实常数；

(3)定义材料：定义材料1为刚性材料，限制除上、下模具法线方向外其它方向的自由度；定义材料2为双线性各向同性材料；定义材料3为刚性材料，限制所有方向的自由度。

(4)网格划分：将上模材料定义为材料1后划分网格，将胚料材料定义为材料2后划分网格，将下模材料定义为材料3后划分网格；

(5)生成PART：选择所有模型，分别生成各自的PART，即上模为PART1、胚料为PART2、下模为PART3；

(6)定义接触：在冲压模拟中，将所有接触定义为面面接触；接触对的定义：一个接触对的接触面为PART2、目标面为PART1，另一个接触对的接触面为PART2、目标面为PART3；根据实验数据，设定静摩擦系数及滑动摩擦系数；

(7)施加载荷：施加的载荷为位移载荷，位移量为上、下模具间的距离减去胚料的厚度；

步骤4：采用LS-DYNA软件和步骤2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型，对热交换器板片的冲压过程进行模拟，分析板片的成型性能，并与步骤3中建立的标准试样数据库进行对比，分析模拟冲压过程中板片的缺陷，分析判断模拟结果是否与测试规范相符，若不相符合，则调整步骤2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型的拓扑结构及局部部位的几何尺寸，调整完后再次进行分析及模拟测试，如此反复运作，直到模拟结果完全符合测试规范为止；

步骤5：将步骤4中模拟结果完全符合测试规范的热交换器板片对应模具的各种参数输出；

步骤6：根据步骤5中输出的模具的各种参数，制造模具。

所述步骤1中的参数要求包括热交换器板片所用材料的物理、化学及机械性能数据。

所述步骤1中的限制条件是根据测试标准、在实施测试规范的基础上提出的相对严格的测试条件，包括1)在压力机上通过实验获得板片与模具的静摩擦系数及滑动摩擦系数；2)通过杯凸试验，获取板片材料的冲压成型性能数据；3)用螺旋测微仪测量板材的厚度；4)通过金相实验，分析成型板片的微观组织。

所述步骤1中建立的材料数据库存贮的主要项目有：静摩擦系数及滑动摩擦系数、杯凸试验数据、板材厚度、金相试验数据。

本发明设计方法采用计算机进行优化设计方法，将传统方法中的试制样板和改造模具两个环节集成为数字制造环节，在计算机上修改板片板型设计，并模拟实际冲压制造过程，使热交换器板片的加工性能和使用性能在产品的设计阶段就已得到预测和评估，从根本上避免了不当操作造成的模具报废现象，避免了原材料浪费，降低了成本，同时，也缩短了热交换器板片的开发周期，提高了产品快速响应市场变化的能力。

附图说明

图1是本发明制造方法的流程框图。

图2是采用本发明制造方法建立的热交换器板片的3D模型图实施例。

图3是采用本发明制造方法建立的与图2中建立的热交换器板片相对应的上模具3D模型图。

图4是采用本发明制造方法建立的与图2中建立的热交换器板片相对应的下模具3D模型图。

图5本发明中数字制造的流程框图。

图6本发明中模拟板片制造过程，在板片上选取的三个单元的最大主应力时间历程曲线图的一个实施例。

图7是本发明中计算得到的三个单元的厚度时间历程曲线图的一个实施例。

图8是本发明中计算得到的三个单元的板厚减薄率时间历程曲线图的一个实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

材料的成形加工是先进制造技术的重要组成部分，随着计算机技术的发展，材料加工制造过程的数字制造技术，已经融入到现代先进制造技术当中，它是除理论方法和实验方法以外的第三个解决材料成形加工的重要方法。热交换器板片是一种薄板冲压件，它的加工过程包含以大位移、大变形为特征的几何非线性问题，以塑性变形为特征的材料非线性问题，以接触摩擦为特征的边界非线性问题，这些特性决定了其数值计算过程所具有的复杂性。本发明设计方法利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA能解决复杂的非线性问题的特点，通过数字制造技术的应用，达到对热交换器板片冲压成形性能的分析，使得产品有可能出现的譬如局部减薄、开裂、翘曲等成形缺陷在模具设计阶段提前得到预测，从而设计出更加科学合理的模具，提高热交换器冲压板片的成形质量。该设计方法的流程框图，如图1所示，具体按以下步骤进行：

参数要求包括热交换器板片所用材料的各种物理、化学及机械性能数据，如密度、化学成分、材料牌号、国内外材料牌号对照表、屈服强度、抗拉强度、许用应力、弹性模量、切变模量、泊松比等；为保证数据的可靠性，材料参数最好引自国内外相关标准，譬如：中华人民共和国国家标准GB150-1998《钢制压力容器》、美国机械工程师协会(American Society ofMechanical Engineers)的ASME规范II卷A篇铁基材料2004等。对于法定标准还未引入的新材料，其数据要严格依据相关标准、通过材料的化学、力学性能实验获得。限制条件是根据测试标准、在实施测试规范的基础上提出的相对严格的测试条件，包括1)在压力机上通过实验获得板片与模具的静摩擦系数及滑动摩擦系数；2)通过杯凸试验，获取板片材料的冲压成型性能数据；3)用螺旋测微仪测量板材的厚度；4)通过金相实验，分析成型板片的微观组织。

材料数据库存贮的主要项目有：静摩擦系数及滑动摩擦系数、杯凸试验数据、板材厚度、金相试验数据。这些项目是CAE分析所必需的，同时板片设计的主要限制条件。静摩擦系数及滑动摩擦系数直接影响冲压过程中金属的流动，杯凸试验数据反映材料冲压成型性能，这些参数是在压力机上通过实验获得的。另外还须测量CAE分析所需的板材厚度。对关键部位做金相分析，避免马氏体敏感材料的快速成型，因为马氏体组织很容易被腐蚀，对存在腐蚀环境的热交换器板片要尽量避免形变马氏体的形成。金相分析是标准数据库参照的主要指标之一。

例如，某企业为节约土地资源需要制造大型立式热交换器，传统开发方法由于存在板片愈大，减薄量不均、局部减薄、开裂等缺陷愈发严重的问题，开发该设备所需的超大型板片成型困难极大，很难成功制造出合格的板片，故而采用本优化设计方法。

该立式热交换器所需板片的材料数据库构成：材料牌号：316L，化学成分，如表1所示。表1是本发明的板片材料的化学成分(百分含量)一个实施例具体参数。

表1

C	Mn	P	S	Si	Cr	Ni	Mo	N
									0.03	2.0	0.045	0.03	0.75	16.0-18.0	10.0-14.0	2.0-3.0	0.1

密度：ρ＝7.85kg/m³，屈服强度：R_el＝170MPa，抗拉强度：R_m＝485MPa，弹性模量：E＝206×10³MPa，切变模量：G＝79×10³MPa，泊松比：υ＝0.3，静摩擦系数：n₁＝0.3，滑动摩擦系数：n₂＝0.2，板厚：t＝0.80mm，金相组织：有较多形变马氏体存在。杯凸试验表明316L材料的冲压成型较好。

步骤2：根据原始板型的设计数据建立步骤1中热交换器板片的3D模型及制造该热交换器板片所需的上模具3D模型和下模具3D模型；应用任意一种专业CAD软件(譬如：AutoCAD、UG、Pro/Engineer、Solidworks)，通过接收热交换器板片的设计信息，建立该板片的3D模型，包括热交换器板片的三维模型及根据热交换器板片模型而得出的三维上、下模具模型，为节约计算机硬盘资源，所有建立的模型最好建成三维面模型，该三维面模型应包含模具及板片的精细外型和精确尺寸。CAD设计的具体步骤为：首先根据板片的设计资料建立上、下模具的三维模型；其次利用CAE提供的接口将其导入，在CAE中删除所有体元素。选择多余的面(上、下模具相对的面是后续分析所需的面，其它面为多余的面)将其删除。然后在上、下模具间建立胚料的平面模型，胚料的厚度在其后的分析中根据板材的厚度而定。

采用CAD软件建立的上述实例中热交换器板片的3D模型，如图2所示，建立的与该热交换器板片3D模型相对应的上模具3D模型，如图3所示，下模具3D模型，如图4所示。

步骤3：建立标准试样数据库，该数据库用于存储测试规范，包括各种测试条件及与之相关的测试标准；

以软件LSprepost作为后处理模块，通过导入CAE分析模块结果文档，提取有关数据。该后处理模块是CAE分析模块对板片成型性能参照的主要指标。

开发CAE分析模块的程序流程图见图5所示，以下是为开发此模块的基本步骤：

进入软件ANSYS LS-DYNA，打开步骤2所保存的文档建立有限元模型。

(1)定义单元：选择壳单元，设定单元的属性为能正确计算翘曲情况的单点积分单元。

(2)定义实常数：将板片的实际厚度定义为单元的实常数。

(3)定义材料：定义材料1为刚性材料，限制除主方向(沿上、下模具轴线方向为主方向)外其它方向的位移；定义材料2为双线性各向同性材料；定义材料3为刚性材料，限制所有方向的位移。

(4)网格划分：将上模材料定义为材料1后划分网格，将胚料材料定义为材料2后划分网格，将下模材料定义为材料3后划分网格。

(5)生成PART：选择所有模型，分别生成各自的PART，即上模为PART1、胚料为PART2、下模为PART3。

(6)定义接触：在冲压模拟中，将所有接触定义为面面接触。接触对的定义：一个接触对的接触面为PART2、目标面为PART1，另一个接触对的接触面为PART2、目标面为PART3。根据实验数据，设定静摩擦系数及滑动摩擦系数。

(7)施加载荷：本发明所施加的载荷为位移载荷，位移量为上、下模具间的距离减去胚料的厚度。

上例中，标准试样数据库为壁厚减薄率最大应控制在15％以内。

步骤4：采用LS-DYNA软件和步骤2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型，对热交换器板片的冲压过程进行模拟，回放板片在轧制过程中的金属的流动情况，分析板片的成型性能，并与步骤3中建立的标准试样数据库进行对比，分析模拟冲压过程中板片的减薄、翘曲及开裂等缺陷，分析判断模拟结果是否与测试规范相符，若不相符合，则调整步骤2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型的拓扑结构及局部部位的几何尺寸，调整完成后再次进行分析及模拟测试，如此反复运作，直到模拟结果完全符合测试规范为止。

LS-DYNA是当今世界上最著名的通用显式CAE之一，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。采用软件LS-DYNA作为求解器，应用ANSYS/LS-DYNA对板片的冲压过程进行模拟，通过回放板片在轧制过程中的金属的流动情况，来分析板片的成型性能。通过与标准试样数据库的比对，分析板片的减薄、翘曲及开裂等缺陷，分析判断模拟结果是否与测试规范相符，若不相符合，则应调整CAD设计的三维上、下模具模型的拓扑结构及局部部位的几何尺寸，调整完后再次进行分析及模拟测试，如此反复运作，直到模拟结果完全符合测试规范为止。

模拟上述实例中板片的冲压过程并计算，在棱角比较尖锐部位的成型板片上选取三个单元(根据经验棱角比较尖锐部位减薄量严重、易出现开裂等缺陷，因而是分析的重点部位，为了使数据具有代表性，故在此处选取三个单元)，分别绘制如图5所示的选取的三个单元主应力的时间历程曲线，图中1919121、1919369及1917737为所选单元的节点号，由图5可以看出，在整个冲压过程中，最大工作应力随冲压时间成非线性波动，最大应力σ_max＝240MPa，R_el＜σ_max＜R_m，可见此单元所在区域不会出现局部开裂的现象。图6是本例计算所得的该板片此三单元的厚度变化曲线图，图中1919121、1919369及1917737为所选单元的节点号，由图6可知：板片在冲压前厚度为0.8mm，冲压过程中厚度最薄时为0.71mm；图7是本例计算所得的该板片此三单元的板厚减薄率云图，图中1919121、1919369及1917737为所选单元的节点号，由图7可知：板片在冲压成型后，板厚的最大减薄率为12.1％，小于15％的测试标准。该部位的板厚减薄率虽然在测试标准范围内，但是相对于其他部位还是比较大，因而此部位的拓扑形状及尺寸还有修改的余地。图8是本发明中计算得到的三个单元的板厚减薄率时间历程曲线图的一个实施例。

步骤6：根据步骤5中输出的模具的各种参数，制造模具；

步骤7：采用步骤6中的模具压制成型符合要求的热交换器板片。

本发明方法将传统设计方法中需要反复进行的试制板片和改造模具两个环节集成到数字制造环节，通过计算机模拟修改模具模型、虚拟制造，从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的开发热交换器板片的模式，有效地预防了诸如板片的局部减薄、开裂、起皱等现象、使成型板片的厚度均匀，为高效热交换器板片的开发创造条件。并缩短研制周期，

本发明是根据热交换器板片在实际制造过程中的冲压成型而提出的一种虚拟化制造技术、同时也是对热交换器板片制造构建的数字制造技术。可应用于石油化工、航空、航天、热电站、核电站、食品、制药等行业热交换器、空冷器、蒸发器等板片或其它冲压件的开发。同时也适用于各类冲压件的设计制造。

Claims

1.一种热交换器板片的制造方法，该方法将传统方法中的试制样板和改造模具两个环节集成为数字制造环节，通过模拟冲压制作过程，在设计阶段预测和评估热交换器板片的加工性能和使用性能，具体按以下步骤进行：

(2)定义实常数：将板片的实际厚度定义为单元的实常数；

(3)定义材料：定义材料1为刚性材料，限制除上、下模具法线方向外其它方向的自由度；定义材料2为双线性各向同性材料；定义材料3为刚性材料，限制所有方向的自由度；

步骤6：根据步骤5中输出的模具的各种参数，制造模具。

2.根据权利要求1所述的一种热交换器板片的制造方法，其特征在于，所述步骤1中的参数要求包括热交换器板片所用材料的物理、化学及机械性能数据。

3.根据权利要求1所述的一种热交换器板片的制造方法，其特征在于，所述步骤1中的限制条件是根据测试标准、在实施测试规范的基础上提出的相对严格的测试条件，包括1)在压力机上通过实验获得板片与模具的静摩擦系数及滑动摩擦系数；2)通过杯凸试验，获取板片材料的冲压成型性能数据；3)用螺旋测微仪测量板材的厚度；4)通过金相实验，分析成型板片的微观组织。

4.根据权利要求1所述的一种热交换器板片的制造方法，其特征在于，所述步骤1中建立的材料数据库存贮的主要项目有：静摩擦系数及滑动摩擦系数、杯凸试验数据、板材厚度、金相试验数据。