專利名稱：一種熱交換器板片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種熱交換器板片的制作方法。
背景技術(shù)：
熱交換器板片廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、熱電核電、食品制藥等行業(yè)的熱交 換器、空冷器、空氣預(yù)熱器、蒸發(fā)器等設(shè)備。隨著設(shè)備的大型化，熱交換器板片的加工制造出 現(xiàn)了諸多問(wèn)題，如板片的局部出現(xiàn)嚴(yán)重減薄、開(kāi)裂、翹曲等成形缺陷，而熱交換器板片成形 質(zhì)量的下降，導(dǎo)致模具的返修頻率增加，模具的報(bào)廢幾率也隨之增大。目前熱交換器板片的設(shè)計(jì)仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即依次經(jīng)過(guò)板型設(shè)計(jì)、模具 設(shè)計(jì)、制造模具、試制板片、改造模具等階段，直至制造出合格的板片。但在改造模具階段， 由于過(guò)分依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)技能，缺少必要的技術(shù)支持，存在著較大的盲目性，稍有不慎就 可能造成模具的報(bào)廢。同時(shí)，需要反復(fù)試制樣板、修改模具，造成熱交換器板片的開(kāi)發(fā)周期 被延長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種熱交換器板片的 制造方法，以取代傳統(tǒng)的制造方法，減少設(shè)計(jì)中的盲目性，避免模具的報(bào)廢，縮短熱交換器 板片的開(kāi)發(fā)周期。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種熱交換器板片的制造方法，該 制造方法是將傳統(tǒng)方法中的試制樣板和改造模具兩個(gè)環(huán)節(jié)集成為數(shù)字制造環(huán)節(jié)，通過(guò)模擬 沖壓制作過(guò)程，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和評(píng)估熱交換器板片的加工性能和使用性能，該制造方法 具體按以下步驟進(jìn)行步驟1 根據(jù)對(duì)熱交換器板片的參數(shù)要求和限制條件，建立制造該熱交換器板片 的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行材料成型性能試驗(yàn)；步驟2 根據(jù)原始板型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立步驟1中熱交換器板片的3D模型及制造該 熱交換器板片所需的上模具3D模型和下模具3D模型；步驟3 建立標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)測(cè)試規(guī)范，包括各種測(cè)試條件及 與之相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；以軟件LSpr印ost作為后處理模塊，通過(guò)導(dǎo)入CAE分析模塊結(jié)果文 檔，提取有關(guān)數(shù)據(jù)；步驟4 采用LS-DYNA軟件和步驟2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型，對(duì) 熱交換器板片的沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，分析板片的成型性能，并與步驟3中建立的標(biāo)準(zhǔn)試樣 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，分析模擬沖壓過(guò)程中板片的缺陷，分析判斷模擬結(jié)果是否與測(cè)試規(guī)范相 符，若不相符合，則調(diào)整步驟2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及局部 部位的幾何尺寸，調(diào)整完后再次進(jìn)行分析及模擬測(cè)試，如此反復(fù)運(yùn)作，直到模擬結(jié)果完全符 合測(cè)試規(guī)范為止。步驟5 將步驟4中模擬結(jié)果完全符合測(cè)試規(guī)范的熱交換器板片對(duì)應(yīng)模具的各種參數(shù)輸出；步驟6 根據(jù)步驟5中輸出的模具的各種參數(shù)，制造模具。所述步驟1中的參數(shù)要求包括熱交換器板片所用材料的物理、化學(xué)及機(jī)械性能數(shù) 據(jù)。所述步驟1中的限制條件是根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、在實(shí)施測(cè)試規(guī)范的基礎(chǔ)上提出的相對(duì) 嚴(yán)格的測(cè)試條件，包括1)在壓力機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得板片與模具的靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦 系數(shù)；2)通過(guò)杯凸試驗(yàn)，獲取板片材料的沖壓成型性能數(shù)據(jù)；3)用螺旋測(cè)微儀測(cè)量板材的 厚度；4)通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)，分析成型板片的微觀組織。所述步驟1中建立的材料數(shù)據(jù)庫(kù)存貯的主要項(xiàng)目有靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系 數(shù)、杯凸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、板材厚度、金相試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所述后處理模塊是CAE分析模塊對(duì)板片成型性能參照的主要指標(biāo)，開(kāi)發(fā)CAE分析 模塊的基本步驟進(jìn)入軟件ANSYS LS-DYNA,打開(kāi)步驟2所保存的文檔建立有限元模型；(1)定義單元選擇殼單元，設(shè)定單元的屬性為能正確計(jì)算翹曲情況的單點(diǎn)積分 單元；(2)定義實(shí)常數(shù)將板片的實(shí)際厚度定義為單元的實(shí)常數(shù)；(3)定義材料定義材料1為剛性材料，限制除上、下模具法線方向外其它方向的 自由度；定義材料2為雙線性各向同性材料；定義材料3為剛性材料，限制所有方向的自由度。(4)網(wǎng)格劃分將上模材料定義為材料1后劃分網(wǎng)格，將胚料材料定義為材料2后 劃分網(wǎng)格，將下模材料定義為材料3后劃分網(wǎng)格；(5)生成PART 選擇所有模型，分別生成各自的PART，即上模為PART1、胚料為 PART2、下模為 PART3 ；(6)定義接觸在沖壓模擬中，將所有接觸定義為面面接觸；接觸對(duì)的定義一 個(gè)接觸對(duì)的接觸面為PART2、目標(biāo)面為PART1，另一個(gè)接觸對(duì)的接觸面為PART2、目標(biāo)面為 PART3 ；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)；(7)施加載荷本發(fā)明所施加的載荷為位移載荷，位移量為上、下模具間的距離減 去胚料的厚度。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將傳統(tǒng)方法中的試制樣板和改造 模具兩個(gè)環(huán)節(jié)集成為數(shù)字制造環(huán)節(jié)，在計(jì)算機(jī)上修改板片板型設(shè)計(jì)，并模擬實(shí)際沖壓制造 過(guò)程，使熱交換器板片的加工性能和使用性能在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就已得到預(yù)測(cè)和評(píng)估，從 根本上避免了不當(dāng)操作造成的模具報(bào)廢現(xiàn)象，避免了原材料浪費(fèi)，降低了成本，同時(shí)，也縮 短了熱交換器板片的開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力。


圖1是本發(fā)明制造方法的流程框圖。圖2是采用本發(fā)明制造方法建立的熱交換器板片的3D模型圖實(shí)施例。圖3是采用本發(fā)明制造方法建立的與圖2中建立的熱交換器板片相對(duì)應(yīng)的上模具 3D模型圖。
圖4是采用本發(fā)明制造方法建立的與圖2中建立的熱交換器板片相對(duì)應(yīng)的下模具 3D模型圖。圖5本發(fā)明中數(shù)字制造的流程框圖。圖6本發(fā)明中模擬板片制造過(guò)程，在板片上選取的三個(gè)單元的最大主應(yīng)力時(shí)間歷 程曲線圖的一個(gè)實(shí)施例。圖7是本發(fā)明中計(jì)算得到的三個(gè)單元的厚度時(shí)間歷程曲線圖的一個(gè)實(shí)施例。圖8是本發(fā)明中計(jì)算得到的三個(gè)單元的板厚減薄率時(shí)間歷程曲線圖的一個(gè)實(shí)施 例。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。材料的成形加工是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，材料 加工制造過(guò)程的數(shù)字制造技術(shù)，已經(jīng)融入到現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)當(dāng)中，它是除理論方法和實(shí) 驗(yàn)方法以外的第三個(gè)解決材料成形加工的重要方法。熱交換器板片是一種薄板沖壓件，它 的加工過(guò)程包含以大位移、大變形為特征的幾何非線性問(wèn)題，以塑性變形為特征的材料非 線性問(wèn)題，以接觸摩擦為特征的邊界非線性問(wèn)題，這些特性決定了其數(shù)值計(jì)算過(guò)程所具有 的復(fù)雜性。本發(fā)明設(shè)計(jì)方法利用大型有限元軟件ANSYS/LS-DYNA能解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題 的特點(diǎn)，通過(guò)數(shù)字制造技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到對(duì)熱交換器板片沖壓成形性能的分析，使得產(chǎn)品有 可能出現(xiàn)的譬如局部減薄、開(kāi)裂、翹曲等成形缺陷在模具設(shè)計(jì)階段提前得到預(yù)測(cè)，從而設(shè)計(jì) 出更加科學(xué)合理的模具，提高熱交換器沖壓板片的成形質(zhì)量。該設(shè)計(jì)方法的流程框圖，如圖 1所示，具體按以下步驟進(jìn)行步驟1 根據(jù)對(duì)熱交換器板片的參數(shù)要求和限制條件，建立制造該熱交換器板片 的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行材料成型性能試驗(yàn)；參數(shù)要求包括熱交換器板片所用材料的各種物理、化學(xué)及機(jī)械性能數(shù)據(jù)，如密 度、化學(xué)成分、材料牌號(hào)、國(guó)內(nèi)外材料牌號(hào)對(duì)照表、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、許用應(yīng)力、彈性模 量、切變模量、泊松比等；為保證數(shù)據(jù)的可靠性，材料參數(shù)最好引自國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，譬如 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》、美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(American Society ofMechanical Engineers)的ASME規(guī)范II卷A篇鐵基材料2004等。對(duì)于法定標(biāo) 準(zhǔn)還未引入的新材料，其數(shù)據(jù)要嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、通過(guò)材料的化學(xué)、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)獲得。 限制條件是根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、在實(shí)施測(cè)試規(guī)范的基礎(chǔ)上提出的相對(duì)嚴(yán)格的測(cè)試條件，包括1) 在壓力機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得板片與模具的靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)；2)通過(guò)杯凸試驗(yàn)，獲 取板片材料的沖壓成型性能數(shù)據(jù)；3)用螺旋測(cè)微儀測(cè)量板材的厚度；4)通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)，分 析成型板片的微觀組織。材料數(shù)據(jù)庫(kù)存貯的主要項(xiàng)目有靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)、杯凸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、板材 厚度、金相試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些項(xiàng)目是CAE分析所必需的，同時(shí)板片設(shè)計(jì)的主要限制條件。靜摩 擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)直接影響沖壓過(guò)程中金屬的流動(dòng)，杯凸試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映材料沖壓成型 性能，這些參數(shù)是在壓力機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的。另外還須測(cè)量CAE分析所需的板材厚度。對(duì) 關(guān)鍵部位做金相分析，避免馬氏體敏感材料的快速成型，因?yàn)轳R氏體組織很容易被腐蝕，對(duì) 存在腐蝕環(huán)境的熱交換器板片要盡量避免形變馬氏體的形成。金相分析是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)參照
6的主要指標(biāo)之一。例如，某企業(yè)為節(jié)約土地資源需要制造大型立式熱交換器，傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法由于存 在板片愈大，減薄量不均、局部減薄、開(kāi)裂等缺陷愈發(fā)嚴(yán)重的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)該設(shè)備所需的超大 型板片成型困難極大，很難成功制造出合格的板片，故而采用本優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該立式熱交換器所需板片的材料數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成材料牌號(hào)316L，化學(xué)成分，如表1 所示。表1是本發(fā)明的板片材料的化學(xué)成分(百分含量)一個(gè)實(shí)施例具體參數(shù)。表 權(quán)利要求
一種熱交換器板片的制造方法，該方法將傳統(tǒng)方法中的試制樣板和改造模具兩個(gè)環(huán)節(jié)集成為數(shù)字制造環(huán)節(jié)，通過(guò)模擬沖壓制作過(guò)程，在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和評(píng)估熱交換器板片的加工性能和使用性能，具體按以下步驟進(jìn)行步驟1根據(jù)對(duì)熱交換器板片的參數(shù)要求和限制條件，建立制造該熱交換器板片的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行材料成型性能試驗(yàn)；步驟2根據(jù)原始板型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立步驟1中熱交換器板片的3D模型及制造該熱交換器板片所需的上模具3D模型和下模具3D模型；步驟3建立標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)測(cè)試規(guī)范，包括各種測(cè)試條件及與之相關(guān)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；以軟件LSprepost作為后處理模塊，通過(guò)導(dǎo)入CAE分析模塊結(jié)果文檔，提取有關(guān)數(shù)據(jù)；步驟4采用LS DYNA軟件和步驟2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型，對(duì)熱交換器板片的沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，分析板片的成型性能，并與步驟3中建立的標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，分析模擬沖壓過(guò)程中板片的缺陷，分析判斷模擬結(jié)果是否與測(cè)試規(guī)范相符，若不相符合，則調(diào)整步驟2中建立的上模具3D模型和下模具3D模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及局部部位的幾何尺寸，調(diào)整完后再次進(jìn)行分析及模擬測(cè)試，如此反復(fù)運(yùn)作，直到模擬結(jié)果完全符合測(cè)試規(guī)范為止；步驟5將步驟4中模擬結(jié)果完全符合測(cè)試規(guī)范的熱交換器板片對(duì)應(yīng)模具的各種參數(shù)輸出；步驟6根據(jù)步驟5中輸出的模具的各種參數(shù)，制造模具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱交換器板片的制造方法，其特征在于，所述步驟1中的 參數(shù)要求包括熱交換器板片所用材料的物理、化學(xué)及機(jī)械性能數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱交換器板片的制造方法，其特征在于，所述步驟1中的 限制條件是根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、在實(shí)施測(cè)試規(guī)范的基礎(chǔ)上提出的相對(duì)嚴(yán)格的測(cè)試條件，包括1) 在壓力機(jī)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得板片與模具的靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)；2)通過(guò)杯凸試驗(yàn)，獲 取板片材料的沖壓成型性能數(shù)據(jù)；3)用螺旋測(cè)微儀測(cè)量板材的厚度；4)通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)，分 析成型板片的微觀組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱交換器板片的制造方法，其特征在于，所述步驟1中 建立的材料數(shù)據(jù)庫(kù)存貯的主要項(xiàng)目有靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)、杯凸試驗(yàn)數(shù)據(jù)、板材厚 度、金相試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱交換器板片的制造方法，其特征在于，所述后處理模 塊是CAE分析模塊對(duì)板片成型性能參照的主要指標(biāo)，開(kāi)發(fā)CAE分析模塊的基本步驟進(jìn)入軟件ANSYS LS-DYNA,打開(kāi)步驟2所保存的文檔建立有限元模型；(1)定義單元選擇殼單元，設(shè)定單元的屬性為能正確計(jì)算翹曲情況的單點(diǎn)積分單元；(2)定義實(shí)常數(shù)將板片的實(shí)際厚度定義為單元的實(shí)常數(shù)；(3)定義材料定義材料1為剛性材料，限制除上、下模具法線方向外其它方向的自由 度；定義材料2為雙線性各向同性材料；定義材料3為剛性材料，限制所有方向的自由度。(4)網(wǎng)格劃分將上模材料定義為材料1后劃分網(wǎng)格，將胚料材料定義為材料2后劃分 網(wǎng)格，將下模材料定義為材料3后劃分網(wǎng)格；(5)生成PART選擇所有模型，分別生成各自的PART，即上模為PART1、胚料為PART2、下模為PART3 ；(6)定義接觸在沖壓模擬中，將所有接觸定義為面面接觸；接觸對(duì)的定義一個(gè)接觸 對(duì)的接觸面為PART2、目標(biāo)面為PARTl，另一個(gè)接觸對(duì)的接觸面為PART2、目標(biāo)面為PART3 ；根 據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定靜摩擦系數(shù)及滑動(dòng)摩擦系數(shù)；(7)施加載荷施加的載荷為位移載荷，位移量為上、下模具間的距離減去胚料的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種熱交換器板片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)對(duì)熱交換器板片的參數(shù)要求和限制條件，建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行材料成型性能試驗(yàn)；建立模具模具模型；和標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)熱交換器板片的沖壓過(guò)程進(jìn)行模擬，并與標(biāo)準(zhǔn)試樣數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，分析模擬沖壓過(guò)程中板片的缺陷，判斷模擬結(jié)果是否符合測(cè)試規(guī)范，若不符合，調(diào)整模具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及局部部位幾何尺寸，再次進(jìn)行分析及模擬測(cè)試，直到模擬結(jié)果完全符合測(cè)試規(guī)范為止。將模擬結(jié)果符合測(cè)試規(guī)范的熱交換器板片對(duì)應(yīng)模具的各種參數(shù)輸出；制造模具。本發(fā)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將傳統(tǒng)方法中的試制樣板和改造模具兩個(gè)環(huán)節(jié)集成為數(shù)字制造環(huán)節(jié)，減少設(shè)計(jì)中的盲目性，避免模具的報(bào)廢，縮短熱交換器板片的開(kāi)發(fā)周期。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101976291SQ20101052940
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月2日
發(fā)明者常春梅, 王紀(jì)兵, 胡國(guó)棟 申請(qǐng)人:甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司;上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司;蘭州藍(lán)亞石油化工裝備工程有限公司;機(jī)械工業(yè)蘭州石油鉆采煉油化工設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)所有限公司