空气预热器(即空预器),它是利用锅炉中燃料燃烧后的高温尾气加热进入锅炉前的冷空气,以降低锅炉热量损耗,并提高燃烧效率的设备。在实际生产运行中,锅炉机组经济性以及安全性受到了密封性能(漏风率)的严重影响。而本课题所研究的波纹板弹性密封组件(简称波纹板组件)则是众多空预器密封组件中的一种。波纹板组件的疲劳性能直接反映长期连续工作条件下其可提供的密封压紧力的变化,该压紧力的变化直接影响空预器的漏风率,从而影响空预器的整体热交换效率及停机维护维修周期,因此研究波纹板组件的疲劳性能具有重要的实际应用价值。空预器波纹板组件整体由具有良好焊接特性的S316L材料通过滚压成形工艺加工而成,并采用点焊工艺组装连接。为了研究焊点各结构参数变化对空预器波纹板组件性能的影响,本文经过对比后选择了合理的焊点建模方式,利用ANSYS软件针对波纹板组件的静强度及疲劳寿命进行了仿真计算和分析,以此为依据对波纹板组件焊点结构参数进行了优化,并采用自行研制的测试工作台针对其疲劳寿命进行了物理实验,验证了优化结果的可靠性及合理性。具体研究过程及结果如下:首先,以相邻两密封片简单模型为例,采用Create point、刚性梁单元法以及印记面法进行焊点有限元模型的建立,并分别进行模拟仿真计算,将三种不同建模方法下的模拟仿真结果进行比较,根据建模效率、仿真速度以及仿真精度,选择Create point和印记面法建模作为本文焊点模型建立方法,结果表明:采用印记面法建立焊点模型进行模拟仿真并根据结果选择焊点结构参数会相对保守,稳定性极强。不考虑焊点直径条件下,采用ANSYS自带的焊点建模功能Create point建立焊点有限元模型,对模型施加200 N的外加载荷,以等效应力为对象对焊点单排、多排和三角形排列方式进行了模拟仿真计算。研究表明,单排焊接条件下焊点间距≤75.4 mm时,波纹板组件的等效应力无明确变化趋势。这可能是焊点间距过小,导致焊接接头处附近的等效应力集中区相互叠加影响;当焊点间距≥75.4 mm时,波纹板所受的应力会随着焊点间距的增加而增加。原因可能是焊点间距增加,造成焊点的应力集中影响区域相隔变大,相互叠加影响减弱,且焊点数目减少,单个焊点需承受负荷增加;多排焊接条件下,因素“焊点水平间距”的等效应力仿真结果方差F_A为54.46,远大于显著性水平临界值3.15,表明其变化对波纹板组件等效应力会产生显著性的影响,而因素“焊点排数”的仿真结果方差F_B为1.04,小于临界值4.6,表明其影响无显著性;而采用焊点三角形排列,即3排焊点,各排焊点水平间距54.4 mm,上下边距2 mm,第1及第3排焊点左右边距10 mm,第2排焊点左右边距37.2 mm时,波纹板组件受到的等效应力最小,约25 MPa,与其对应的模拟仿真疲劳寿命为7.89E6次。进一步,采用印记面法建立焊点直径模型,同样以等效应力为对象对不同焊点直径和排列方式的波纹板组件行了模拟仿真计算和方差分析。结果表明,单排焊接条件下,因素“焊点直径”和“焊点水平间距”对应的方差计算结果均小于临界值,表明单排焊接时这两个因素变化总体上对波纹板组件等效应力无显著影响。焊点三角形排列条件下,方差计算表明焊点直径变化对波纹板组件等效应力也无显著性影响,但因素“焊点水平间距”等效应力结果对应方差F_N为4.17,大于临界值3.85,显示出该因素对波纹板组件等效应力具有显著性影响,原因可能是焊点三角形排列,改善了波纹板组件受力特点,导致焊点水平间距变化会对波纹板组件等效应力造成比较明显的影响。最后,对仿真分析的优化结果进行了物理实验验证。结果表明,单排焊接条件下,焊点左右边距10 mm,上下边距4 mm,焊点水平间距70 mm,焊点直径5 mm时,物理实验表明此时波纹板组件实际疲劳寿命超过3.0E7次,满足工况要求;三角形排列方式条件下,第1排焊点左右边距为10 mm,焊点圆心距离上边界为3.5mm;第2排焊点左右边距为42.65 mm,焊点圆心距离上边界为4.5 mm,两排焊点直径均为2 mm,且两排焊点每排焊点的水平间距为65.3 mm时,物理实验表明此时波纹板组件实际疲劳寿命超过2.0E7次,满足工况要求;同时,物理实验也证明了印记面法建立焊点有限元模型并进行模拟仿真的可行性。综合比较上述两种排列方式中疲劳寿命的性价比发现,选择后者焊接方式时疲劳寿命的性价比最优且远满足工况要求。