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换热器的非标法兰封板应力强度分析
赵自奇,钱作勤,徐 钊,王建宁
(武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063)
摘 要：对于管壳式换热器的非标法兰封板,利用APDL程序实现全参数化的三维有限元建模,并计算得到封板的应力分布,归纳出影响封板的应力强度的因素,通过调整这些因素得到非标法兰封板的合理厚度。
关键词：管壳式换热器;封板;有限元模型
中图分类号：U664.1;TQ015.9 文献标志码：A 文章编号：1671-7953(2010)03-0084-03
换热器是广泛应用于化工、动力、医药、冶金、制冷、轻功等行业的一种通用设备,管壳式换热器制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压在化工、石油、能源等行业的应用中处于主导地位[1]。封板是换热器中的关键元件,其受力情况相当复杂,对其进行强度分析是一个全新的课题。经典算法求解封板的应力非常烦琐,而且难以提出一个普遍应用的公式用以计算各种情况下的危险应力。有限元算法提供了一种全新的解决方案,通过建立仿真模型大大提高了计算结果的正确性[2]。以某非标法兰封板为研究对象。
1 封板的热应力耦合分析
根据非标法兰封板的结构特点和工程要求进行单元类型选择、材料参数的确定、几何建模和单元生成。虑到结构和载荷的对称性,取非标法兰封板及其部分筒体的1/4建立有限元分析模型[3]。
1.1 实体模型的建立
1)单元类型。结构采用SOLID95 3D八节点实体单元SOLID45的高阶单元,他能够吸收不规则形状的单元而精度没有损失。SOLID95单元有可并立的位移形状并且能很好地适应曲线边界的模型,具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形和大应变功能。单元选项:单元坐标系、额外单元输出选项、额外表面输出选项、积分原则。
2)材料属性。封板采用压力容器常用钢种16MnR,材料参数见表1。
1.2 网格划分
为了提高计算精度,采用VSWEEP体扫略网格划分六面体网格,这种网格既可以是线性的(无中节点)、也可以是二次的(有中节点)。对于复杂几何实体,经过一些简单的切分处理,就可以生成规整的六面体网格。
体扫略网格要满足的条件:
1)切分体避免体内有内腔,或者体内有空洞。即扫略的过程必须是连续的。假如不连续,可以将大体积切分成若干个小体积,分别网格划分,然后进行VGLUE即可。
2)定义合适的单元。SOLID 95对应的热单元是SOLID90,SOLID90是三维的8节点热单元SOLID70的高阶形式,20个节点,每个节点一个温度自由度,尤其适用于描述弯曲的边界。
3)设置扫略方向的单元数目或单元尺寸。
可以用esize、extopt、lesize、lmesh、desize等,为了实现参数化建模,采用lesize控制单元数目。封板的网格划分模型见图1。
1.3 模型分析
1)温度场分析。封板上下表面分别为外界温度和壳程温度,存在温差,需要考察其温度应力分布情况。采用稳态热分析数学模型。封板的温度场见图2。其温度载荷在计算后存储于相应的RTH文件中,结构分析时直接读入即可。
2)应力场分析。主要考虑封板的应力分布规律,壳程筒体横截面约束轴向位移,结构纵向对称面施加对称约束,外壁受大气压力,内壁受壳程压力,螺栓孔受螺栓的拉力,垫片(密封圈)受压力。
3)载荷分析。根据换热器的实际操作情况,共考虑了以下几种载荷:壳程压力、螺栓孔受力、垫片比压力等,具体见表2。
1.4 结果分析
最大应力强度切面和路径位置见图3,应力云图和路径位置见图4。
在连接处厚度方向上取线性化路径,将路径上应力强度线性化分解出薄膜应力、弯曲应力、峰值应力,并根据相应的标准进行校核,见表3[4]。
根据以上标准,对不同的应力分量进行相应的校核。由GB4732-1995可知,分析中载荷系数K=1,Sm为设计应力强度,Sa为疲劳曲线确定的许用应力强度幅值。所取的路径均在局部位置,其弯曲应力分量应为二次应力。
由于分析中不做疲劳校核,只需校核一次局部薄膜应力强度PL≤225 MPa,一次加二次应力强度Pm+PL+Pb+Q≤450 MPa即可。按路径的应力分析见表4。
由表4可见,最危险的位置为路径3,即封板方空的圆角处。若需增加封板刚度,改善封板受力情况,可用增大倒角及增加厚度两种方法进行改进,前者可以增大封板的刚度;后者可以改善封板的受力状况。
2 结束语
通过ANSYS分析,从应力云图可较直接地看出应力的变化情况和最大应力的位置,通过对选取危险截面的路径进行线性化分解,可以作出压力容器封板的应力强度评定,计算方法可作为非标换热器连接板的结构设计和变形分析的理论依据。
参考文献
[1]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.
[2]陶益军,赵新文,蔡 琦.船用核动力设备老化分析与管理对策研究[J].船海工程,2005(6):62-64.
[3]祁玉红,马东方.基于ANSYS的全焊接板式换热器的应力分析[J].化工装备技术,2007(4):40-42.
[4]余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.b
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