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板翅式换热器斜接管封头极限压力研究点击：1746 日期：[ 2014-04-26 21:14:01 ] |
| 板翅式换热器斜接管封头极限压力研究 王伟 陈亮 (福州大学机械工程及自动化学院福州350108) 摘要：针对板翅式换热器斜接管封头强度设计问题，基于有限元软件ANSYS和CAD软件Solidworks，给出塑性功曲率(Plasticwork curvature，PWC)准则极限载荷计算方法，比较30o斜接管封头的PWC准则极限压力、两倍弹性斜率(Twice elastic slope，TES)准则极限压力和美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)理想塑性极限载荷准则极限压力的计算结果，并对影响极限压力的接管倾斜角β、筒体径厚比iDδ、接管开孔率idD进行参数关系研究。30o斜接管封头极限压力计算结果比较表明，PWC极限压力以总塑性功及其曲率作为封头结构整体塑性失效判别的全局指标，与TES准则人为选择的变形参数指标和两倍弹性斜率失效线相比较，具有客观性，也能反映材料应变硬化对封头增强的效应；极限压力与尺寸参数关系研究表明，小倾斜角、大开孔率和大径厚比将使得封头极限压力降低。研究结果为板翅式换热器斜接管封头这种复杂结构极限压力的计算和尺寸参数的选择提供参考。 关键词：分析设计 极限压力 参数研究 应力集中 有限元法 中图分类号：TQ05 TH49 0·前言 板翅式换热器斜接管封头在石油化工、空气分离和动力机械领域被广泛应用[1]。相较于正交接管，斜接管封头在封头—接管相贯区存在的应力集中对封头的强度有明显的影响，板翅式换热器封头半圆柱筒体结构与普通的圆柱体容器在约束上也明显不同。因此，有必要研究板翅式换热器斜接管封头强度设计问题。 在美国机械工程师协会(American Society ofEngineers,ASME)2007 VIII-2[2]和欧盟标准化委员会EN 13445-3[3]规范中，压力容器强度分析设计包括基于弹性分析的应力分类法和基于非弹性分析的直接法。PORTER等[4]基于板/壳弹性有限元分析技术研究了薄壁接管—壳结构的应力分类设计问题，给出了应力分类设计的步骤。 应力分类法存在的主要问题是难以将应力按其性质分解为一次、二次和峰值三类应力，而直接法通过弹塑性分析和极限载荷准则确定极限载荷，避免了应力分类难的问题[5]。ASME规范定义的极限载荷为满足小变形理论弹性—理想塑性力平衡方程的最大载荷，而对需要考虑材料应变硬化的情况，ASME规范以两倍弹性斜率准则(Twice elastic slope,TES)计算极限(塑性)载荷。英国学者MACKENZIE等[6]提出的塑性功曲率准则(Plastic work curvature,PWC)以塑性功作为结构整体失效判别的依据，较TES准则有很多优点。陈立杰等[7]考虑结构应力集中的影响，在弹性分析中通过修正高应力区的弹性模量来模拟塑性失效行为和计算极限载荷，计算速度快，但与结构真实的塑性失效机制之间存在一定的理论误差。 MERSHON[8]最先研究了斜接管问题，给出了斜接管应力集中系数的经验公式。LI等[9]应用两倍弹性斜率准则研究了中等开孔率斜接管圆柱壳的极限内压，并开展了相关的试验研究。周帼彦等[10]应用两倍弹性斜率准则研究了三种端板形式的板翅式换热器封头内压极限载荷WANG等[11]利用TES准则对板翅式换热器正交接管封头极限接管载荷组合关系进行了系统研究，为封头在组合接管载荷作用下强度设计问题提出了可行区的简化方法。 本文利用ANSYS参数化设计语言(ANSYSparametric design language,APDL)和SolidWorks建模软件[12-13]，给出了板翅式换热器纵向斜接管封头PWC准则极限压力计算方法，并研究了极限压力与尺寸参数的关系。 1·非线性有限元分析与极限压力确定 1.1 30°斜接管封头非线性有限元分析模型 板翅式换热器纵向斜接管封头结构如图1所示。作为极限压力算例的30°斜接管封头筒体壁厚δv=16 mm，接管壁厚δn=16 mm，筒体中径/筒体壁厚比iDδ=D/δv=20，接管开孔率idD=d/D=0.6，筒体长度Lv=2 400 mm，接管长度Ln=300 mm。封头和接管采用SB-209-5083-0铝合金材料，弹性模量E=69 GPa,泊松比ν=0.33，屈服极限σy=124.1 MPa,强度极限σu=351.8 MPa，许用应力Sm=82.7 MPa，材料线性应变硬化的塑性模量Epl=661 MPa。 封头采用ANSYS 12.1四节点shell143壳单元，封头和接管内壁施加内压载荷，接管端部施加内压引起的线载荷，封头底部施加固定约束，封头有限元模型如图2所示。计算极限压力需要对封头作两类非线性分析，即理想塑性分析和应变硬化分析。其中理想塑性分析采用弹性—理想塑性材料模型和小变形理论，用以计算理想塑性条件下的PWC极限压力、TES极限压力、ASME极限压力；应变硬化分析采用线性随动强化材料模型和小变形理论，用以计算应变硬化条件下的PWC极限压力和TES极限压力。 1.2极限压力计算方法 确定TES准则极限压力时，选择如图1所示封头和接管相贯处锐角点、钝角点、鞍点以及接管端部处节点的应变作为变形参数。 确定PWC准则极限压力时，假定材料服从米塞斯屈服准则和双线性应变硬化材料模型，利用文献[6]的塑性功公式，通过单元塑性功密度与单元体积的乘积获得单元塑性功，再通过对单元塑性功求和得到总塑性功。利用ANSYS的APDL二次开发语言建立塑性功计算脚本，输出载荷—塑性功曲线数据文件，在CAD建模软件SolidWorks中利用曲线插入和曲率函数功能建立载荷—塑性功曲线及其曲率曲线。 1.3极限压力与尺寸参数关系 在封头材料一定的情况下，影响纵向斜接管封头极限压力大小的几何尺寸参数有接管倾斜角β、接管开孔率idD和筒体径厚比iDδ。在极限压力与尺寸参数关系研究中，倾斜角β参数序列为{30°，45°，60°，75°，90°}，开孔率idD参数序列为{0.2，0.4，0.6，0.8，1.0}，筒体径厚比iDδ参数序列为{10，15，20，25，30}，筒体和接管壁厚、长度和材料参数与极限压力算例的30o斜接管封头一致。 2·极限压力计算与尺寸参数关系研究结果 2.1 30°斜接管封头极限压力计算结果 图3a为理想塑性分析的压力—塑性功曲线，封头在压力为2.16 MPa处首次屈服，塑性功和塑性功曲率为零；然后塑性功曲率增加，达到最大值后快速下降，达到极限压力pPWC=5.76 MPa时，曲率降为零。在图3b应变硬化分析曲线中，同样在首次屈服压力2.16 MPa处塑性功曲率为零，然后曲率随压力增加而增加，在4.80 MPa时达到最大值后下降，在极限压力pPWC=7.02 MPa处曲率最小并形成转折，之后曲率随载荷的增加而极其缓慢地变化。 2.2极限压力与尺寸参数关系研究结果 表2～4分别为斜接管封头极限压力与开孔率idD、筒体径厚比iDT和倾斜角β关系表，其中pTES和pPWC为应变硬化分析的极限压力，图5是对应的极限压力与尺寸参数关系图。 2.3斜接管最大弹性应力和应力集中系数 图6为30o斜接管封头算例在pPWC=7.02 MPa极限压力作用下的弹性应力分布云图，在相贯区纵向锐角处存在明显的应力集中，最大应力σ max=530.17 MPa；相贯区纵向截面收缩(变形比例30:1)，横向截面膨胀，接管端部向上位移使得倾斜角β增大。 3·比较和讨论 (1)PWC准则的极限压力比TES准则的极限压力大。从图3、4可看出，30o斜接管封头理想塑性分析的极限压力pPWC=5.76 MPa，很接近ASME极限压力pASM=5.88 MPa，而pTES=3.21 MPa?pASM；应变硬化分析的塑性压力pPWC=7.02 MPa>pASM，而pTES=3.28 MPa<pASM。 这表明PWC准则极限压力计算方法能反映材料应变硬化对封头的强化效果。 (2)根据ASME规范，压力容器许用压力可根据应变硬化分析的极限压力由式(3)确定 式中，[p]为许用压力。 据此可得到30o斜接管封头算例的许用压力[p]=4.68 MPa，图7是该封头在许用压力作用下应变硬化分析的米塞斯应力云图。尽管图7b中内表面部分进入屈服，但图7a中整个封头薄膜应力都处于弹性状态，并且已经屈服的内表面局部区域受周围弹性区限制。 (3)从表2和图5a可看出，无论是PWC极限压力还是ASME极限压力或TES极限压力，由于开孔对封头强度减弱的因素，极限压力随开孔率增大而减小。开孔率小于0.6时的减小幅度较大，开孔率大于0.6时的减小幅度较小。 表3和图5b表明，当倾斜角和开孔率一定情况下，由于径厚比增大使得极限压力减小。径厚比为10～20时减小的幅度较大，大于20时减小幅度较小。 表4和图5c表明，当径厚比和开孔率一定情况下，由于倾斜角减小使得极限压力减小。30o斜接管与正交接管PWC极限压力比较，减小44.64%。 (4)CLOUD等[14]给出了圆柱形壳正交接管极限压力计算方法，CLOUD-RODABAUGH极限压力pCR公式为： 4·结论 (1)PWC准则极限压力以总塑性功及其曲率作为斜接管封头结构整体塑性失效判别的全局指标，与TES准则人为选择的变形参数指标和两倍弹性斜率失效线相比较，具有客观性，也能反映材料应变硬化对封头增强的效应。 (2)斜接管封头与正交接管封头比较，随倾斜角减小，封头的应力集中程度加大，极限压力减小，这个现象在倾斜角等于30o时特别显著。 (3)开孔引起封头强度削弱，随开孔率增大极限压力减小，在开孔率小于0.6时减小幅度较大；随径厚比增大，极限压力减小，在径厚比10～20时减小幅度较大。 (4)PWC准则极限压力确定方法避免了弹性应力分类的复杂性、困难性，具有简便的特点；PWC准则容许封头局部塑性弯曲变形的存在，有助于发挥封头承载的潜力；封头有限元分析以及极限压力结果可为后续的封头极限压力试验提供参考。 参考文献：略 |
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