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异形管板换热器应力分析与评定研究

点击:912 日期:[ 2014-04-26 22:32:27 ]
    摘要:通过有限元温度场分析及温度场与应力分析的耦合数值计算,实现了异形管板换热器温度栽荷与压力栽荷同时作用下的有限元应力计算。采用JB4732-1995~钢制压力容器—— 分析设计标准》的应力分类及强度评定方法对分析结果进行了评定,实现了在构建异形管板换热器真正实际结构有限元模型下的应力分析与评定。     采用有限元应力分析方法真正实现管板换热器的应力分析与评定 ],一直是压力容器行业结构强度计算不断追求的解决方案。这在于以往的管板换热器的应力计算均基于相对于实际结构进行了充分简化的力学模型已给出,由此其计算结 果已不能体现管板的实际应力状况,如将管板作为受管孔均匀刚度削弱的圆平板处理的力学模型就是典型的方法,加之此模型的边界条件处理也不能真实反映结构实际状况,给分析结果带来了更大的误差。国家标准GB 151—1999<<管壳式换 热器》中对管板的计算相对科学,其将管板作为弹性基础上的圆平板处理,使结构计算力学模型与实际结构更加贴近,这是管板计算领域的一大进步,在世界各国换热器规范中是较为科学合理的计算方法。但我国规范中的计算方法也存在局限性:一方面这一计算方法无法考虑管子对管板的弯曲约束作用;另一方面对圆平板的周边约束边界条件处理无法同实际结构相符。实际上由于管板受力情况复杂,采用简化力学模型基础上建立的解析计算已无法真正实现管板强度的有效计 算,因此在数值计算方法中寻求解决方案也便成了真正实现管板强度有效计算的途径。采用有限元数值计算方法真正实现管板实际结构的应力计算主要存在两方面的难点:一是有限元模型相对复杂,构建难度大;另一方面在复杂的模型下施加边界条件(如压力或温度等)相当困难,如不采用参数化编程方式,对于管数较多的结构情形是根本不可能的。由于上述难点,完全采用三维实体单元构建实际结构模型进行管板换热器有限元分析的具体例证还没有见到。本文正是充分利用了ANSYS有限元分析软件提供的APDL语言编程参数化技术,实现了完全采用三维实体单元下的管板换热器结构全自动分析。这一分析程序的编制,不仅克服了以往无法解决的难题,而且为以后快速实现类似结构的分析计算提供了可能。 1 模型构建及载荷分析工况的确定 1.1 应力分析基础条件     本异形管板换热器的应力分析及评定是德国OSCHATZ公司委托全国锅炉压力容器标准化技术委员会进行的。表1给出了本设备的主要设计参数。 1.2 分析模型的构建     本分析从整体上对给定换热器结构按各种工况组合进行了具体有限元分析 ],为计算温度应力,分析中首先对给定换热器结构进行了有限元温度场分析,在有限元应力分析中将温度场分析结果作为温度载荷施加于对应节点,进而计算出温度应力。温度场分析边界条件如下:       管子入口温度为278℃ ;       管子出口温度为273 oC;       管箱温度为385.1 oC;       管板管箱侧温度为285℃ ;       壳程温度为272.27℃。       温度场分析采用SOLID70三维实体单元。          在对给定换热器整体结构进行有限元应力分析时,考虑到结构的承载特性和结构的对称特性,在周向上取1/8结构,长度上沿换热器中间截面作为对称面建立相应有限元模型,这对于单纯压力,其结果与实际结构是相符的;但对于温度载荷,其结果(基于管子温度高的半侧温度场分析结果计算)沿轴向实际上是不存在对称性的,但作为对称处理实际上是偏于保守考虑的(因温度差是偏于高值考虑的)。     具体构建有限元应力分析模型采用solid185单元,模型构建中将换热器整体结构均采用三维实体单元(solid185单元)处理。本文分析的换热器实体模型和有限元模型分别见图1和图2。 1.3 应力分析工况及组合     实际分析中,对于分析工况组合参照GB151标准进行,共考虑以下7种工况:(1)仅壳程承压; (2)仅管程承压;(3)壳程承压+温差应力;(4)管程承压+温差应力;(5)壳程压力试验;(6)管程压力试验;(7)壳程承压+管程承压+温差应力。具体载荷边界条件如下: (1)仅壳程承压 P1— 7.1M Pa。 (2)仅管程承压 P2= 0.5M Pa。 (3)壳程承压+温差应力 P 一7.1MPa,加温度场分析结果。 (4)管程承压+温差应力 P 一0.5MPa,加温度场分析结果。 (5)壳程压力试验 P3— 9.464M Pa。 (6)管程压力试验 P4— 0.65M Pa。 (7)壳程承压+管程承压+温差应力 P1—7.1MPa(壳程),P2—0.5(管程)MPa, 加温度场分析结果。  
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