热管式换热器
浮头式换热器
螺旋缠绕管式换热器
新闻动态
粘弹性条件下槽道板结构的准静态弯曲变形点击：1789 日期：[ 2014-04-26 22:21:28 ] |
| 粘弹性条件下槽道板结构的准静态弯曲变形 周帼彦, 涂善东(华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237) 摘要:引入小挠度薄板理论,将槽道板结构简化作支承于地基上的薄板,基于对应性原理和数值逆变换方法,以微槽道换热器为例,解析计算了槽道板结构的粘弹性弯曲变形和粘弹性弯曲应力,并与有限元模拟结果进行对比,由此验证用该解析计算方法分析承压槽道板结构粘弹性能的可行性与准确性。结果表明:解析计算结果与有限元模拟结果基本一致,该方法可作为承压槽道板结构设备力学设计的有效方法。 关键词:槽道板;微槽道换热器;弹性基;粘弹性;Ｌａｐｌａｃｅ变换 中图分类号:Ｏ345;ＴＫ412文献标识码:Ａ 换热器作为化工过程机械的典型产品,由于工艺特点的特殊性,最初以大型甚或是巨型存在,随科技进步及发展要求,正经历着向紧凑、微小化的快速发展[1]。板翅式换热器和微槽道换热器作为其发展过程的典型代表,广泛应用于各个领域,尤其是对尺寸和重量有特殊要求的场合。响应化工、机械产品高效、节能的发展趋势,对这两种换热设备的研究较多地集中于传热性能和效率的提高[2～3]。而伴随着工业与科技的发展,其操作工况逐步向高温、高压、腐蚀介质等苛刻性方向发展,这势必对换热器的强度、寿命和安全提出了更高要求。 板翅式换热器和微槽道换热器由基本的板 翅结构(即槽道板结构)单元叠加组成。对于其内部复杂繁多的槽道结构,现有的应力分析方法难以进行相应的评估,如何准确有效地确定实际工况下槽道板结构换热器的变形状况,是结构工程师亟待解决的问题。尽管并行有限元技术已得到了极大发展,但要对槽道板结构换热器进行整体建模求解,仍然相当困难,如果再涉及材料的非线性响应,其代价将非常昂贵。因此,寻求一种简单易行且准确的分析方法来对槽道板结构换热器进行结构性能分析是其难点所在。文献[4]引入小挠度薄板理论和弹性支承模型,为槽道板结构在弹性域的变形、应力分析提供了一种可行、准确的计算方法,但目前对于与时间相关力学性能的分析还鲜见报道。 本文根据基于Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ假设的薄板理论和粘弹性微分型本构关系,建立了粘弹性条件下槽道板结构的控制微分方程,利用对应原理,导出了拉氏象空间的有关算式,经过数值逆变换,求得了槽道板结构的粘弹性变形和内力,并进一步通过有限元模拟进行了验证分析。由此获得了粘弹性条件下槽道板结构的力学性能分析方法。 1 基本方程 从力学角度讲,对于具有板 翅(或槽道板)结构的粘弹性变形,可从分析单层结构单元体(如图1所示)的变形入手[5]。考虑单元体所承受的压力是以翅片的拉应力来平衡,且翅片尺寸相对较小,可采用粘弹性基支薄板的简化模型来对整个板 翅结构单元体与时间相关力学性能进行求解(如图2所示,图中ａ、ｂ分别为槽通板(芯体部分)长、宽,ｈ为槽深,ｐ0为通道内压,ｔ为厚度)。 5 算例分析及讨论 以微槽道换热器单层通道为例,利用上述分析方法对槽道板的粘弹性弯曲变形和粘弹性弯曲应力进行计算,并进一步用大型有限元分析商用软件ＡＢＡＱＵＳ进行模拟验证,考核该方法的可行性与准确性。 算例中取ａ=40ｍｍ,ｂ=20ｍｍ,ｔ=1.4ｍｍ;ｈ=2.0ｍｍ,ｐｆ=1.0ｍｍ,ｔｆ=1.0ｍｍ;ｐ0=4.0ＭＰａ,温度Ｔ=40°Ｃ。材料性能参数为:泊松比μ=0.38,弹性模量Ｅ=4.0×103ＭＰａ,弹簧常数ｋ1=3.2ＧＰａ、ｋ2=1.37ＧＰａ,粘性系数η=22.9ＧＰａ·ｓ。 当ｍ=9,即级数取前5项时,即可精确到小数点后第3位。可见这种分析方法计算量小,收敛速度快,计算精度高。其结果见图4和图5,其中图4表示粘弹性弯曲变形和应力沿板长度方向的分布情况,图5所示为极值点的粘弹性弯曲变形和应力随时间的变化情况。 由于在解析计算中将翅片对板的不连续作用当量处理成了连续作用力,所以板长方向上板的变形和应力呈光滑曲线分布,区别于实际模拟中的上下波动,如图4所示。考虑其波幅相对较小,翅片足够多(本算例中为20个翅片),本文采用平均值作为比较基准。 图4 粘弹性行为沿板长的变化 图5 有限元计算与解析计算结果的比较 由解析计算可知,在内压作用下,沿板长方向靠近中心的大部分区域内,槽道板的粘弹性变形和应力呈均匀分布;角点处变形为零,应力表现为压应力;在靠近角点的地方(即ｘ/ａ=0.06或ｘ/ａ=0.94),变形和应力均达到最大值。随着时间的增长,该极值点的变形和应力不断增大,大约50ｓ后,逐步趋于稳态,即变形和应力不再随时间的增长而变化。这与有限元模拟结果基本一致,如图4和图5所示。通过进一步的分析比较可知,由于忽略了翅片根部剪切力对基板的作用,使得解析计算结果较有限元模拟值偏小,误差不足3%,在工程计算中可忽略不计。 6 结 论 (1)板 翅结构设备在承受压力作用时,不仅存在瞬时弹性许用压力,还存在持久许用压力,若仍按弹性理论来考证结构的安全性,则可能会使结构在受载一段时间后失效,因此,在实际设计时应考虑结构的粘弹性。 (2)在内压作用下的槽道板结构,粘弹性变形和应力在靠近边缘角点处达到最大值。随着时间的增长,该极值点的粘弹性变形和应力值不断增大,约50ｓ后趋于稳定。 |
| 上一篇：循环水系统铜腐蚀原因分析与解决措施 | 下一篇：粗苯贫富油换热工艺存在的问题及对策 |