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Ｕ形管换热器热应力的模拟
更新日期:2012-2-8
传统Ｕ形管换热器热应力的模拟
１ 热分析有限元模型的建立
采用换热器管、板的１／２模型，１／２管板上有４个独立的Ｕ形管，润滑油有４个进口与４个出口。Ｕ形管的外径为２５ｍｍ，管壁厚为２．５ｍｍ，管板厚度为２０ｍｍ。
根据该类换热器在实际使用过程中出现的结构破坏情况判断，换热器管、板的最大热应力会发生在管、板结合处。为简化计算，在Ａｎｓｙｓ中进行模拟时，取Ｕ形管与管板结合处的一段为计算模型。有限元模型的单元格选用的是ＳＯＬ－ＩＤ７０热单元，在不影响计算精度的前提下，模型的网格划分采用四面体６级精度的自由划分。
２ 热分布的模拟
Ａｎｓｙｓ热应力的计算属于耦合场分析问题。本文采用间接法计算管板结合处的热应力，即先对管板结合处进行热分析，然后将得到的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。
所需施加的载荷有温度载荷与对流载荷。为了验证管、板结合处产生最大应力时是否会引起结构的破坏，在Ｕ形管进、出口分别施加温度差最大的温度载荷，即施加在Ｕ形管进口处内、外管壁的温度载荷分别为１００℃和２０℃，Ｕ形管出口处内、外管壁的温度载荷分别为７０℃和２７℃。冷流体的对流系数为２ ７６３Ｗ／（ｍ２·Ｋ），热流体的对流系数为１５７Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。Ａｎｓｙｓ热分析计算的温度场云图。
３ 热应力的模拟与结果分析
为了计算模型的热应力，首先需将有限元模型的ＳＯＬＩＤ７０热单元转化为ＳＯＬＩＤ４５结构单元，然后进行结构载荷的施加。所需施加的载荷有以下几类：管与板的位移约束、Ｕ形管管道内外壁流体作用在Ｕ形管上的压强载荷、Ｕ形管在隔板上、下受到较大温差的温度载荷引发Ｕ形管变形所产生的热应力。经过计算模拟，得到的热应力分布。管、板受到的最大应力集中在热流体进口处管、板结合处，最大应力约６９０ＭＰａ，管口向外翻出呈喇叭状，出现较大的变形。
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