（化工过程机械专业论文）带膨胀节多管程换热器的有限元分析.pdf

摘要 带膨胀节多管程换热器的有限元分析 摘要 本文应用a n s y s 有限元分析软件，对某一台带三层q 型膨胀节的四 管程换热器进行了有限元分析。 本课题主要做了以下研究工作：首先，为简化计算模型，研究了三层 q 型膨胀节和单层q 型膨胀节在刚度和强度上的等效问题，并采用刚度 等效后的单层q 型膨胀节作为之后建立换热器整体模型的膨胀节。其次， 在分析换热器几何结构和工艺条件的基础上，建立了带单层q 型膨胀节 换热器的有限元模型。考虑到结构的复杂性，建立模型时对管板和换热管 进行了简化。第三，对换热器整体及换热管进行了传热计算，得到了换热 器的整体温度场。然后，改进膨胀节的加强方式，建立新的有限元模型。 最后，进行了换热器在管程压力、壳程压力、温度载荷及其组合载荷工况 作用下的强度计算，得到了各种工况下的整体和局部的应力强度。同时， 根据有限元的计算结果，依据j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设计 标准，对换热器整体和膨胀节部分进行了应力评定。 计算分析表明，经改进膨胀节加强方式后的换热器整体及局部均满足 强度要求，该加强方式是可行的，该换热器是安全可靠的。 本文的分析计算结果对此类复杂状况换热器的设计优化提供了一定 i 北京化工大学硕士论文 的计算依据。 方式 关键词：q 膨胀节，换热器，有限元分析，温度场，刚度等效，加强 i l a b s t r a c t f i m t ee l e m e n ta n a l y s i s0 fa n t i p l et u b es i d e h e a te x c h a n g e rw i t he x p a n s i o nj o i n t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，af o u r - t u b es i d eh e a te x c h a n g e rw i t ht h e 3 - l a y e rq e x p a n s i o nj o i n ti ss t u d i e db yt h ef n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nu s i n ga n s y s s o f t w a r e i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c hw o r k sa r ed o n ea sf o l l o w s f i r s to fa l l ，t h e m o n o l a y e rqe x p a n s i o nj o i n ti sc o m p a r e dw i t ht h e3 - l a y e rqe x p a n s i o n j o i n ti ns t r e n g t ha n ds t i f f n e s s t h ee q u i v a l e n ts t i f f n e s so fm o n o l a y e rq e x p a n s i o njo i n ti su s e di nt h ew h o l e h e a te x c h a n g e r s e c o n d l y , g e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo f t h e w h o l eh e a t c h a n g ,w i t hm o n o l a 3 q 。 i o i n tbuilt，itwhole h e a te x c h a n g e r hm o n o l a y e r e x p a n s i o n a r eb u i l ti ti ss 2 l， b a s e do nt h ed i m e n s i o n sa n d p r o c e s s i n g o ft h e e q u i p m e n t a n d c o n s i d e r a t i o no fi t sc o m p l e x i t y t h i r d l y , t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so ft h eh e a te x c h a n g e r a r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h eh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o n sw h i c ha r eh a n d l e d w i t ht h es h e lla n dt u b eo ft h eh e a te x c h a n g e r f o u t h l y , g e o m e t r i cm o d e la n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h e i i i 北京化工大学硕士论文 h e a te x c h a n g e rw i t ht h ei m p r o v e ds t r e n g t hm o d eo ft h ee x p a n s i o nj o i n t a r eb u i l t o n c em o r e ，t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s so ft h eh e a t e x c h a n g e ra r ec a l c u l a t e d f i n a l y , t h es t r e n g t ho f t h eh e a te x c h a n g e ri sa n a l y z e db yt h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lu n d e rv a r i o u so fc o m b i n e dl o a d sf r o mp r e s s u r ei nt h e t u b e ，s h e l la n dt e m p e r a t u r ec h a n g i n g ，a n dt h e ns t r e s si n t e n s i t yu n d e rt h e v a r i o u so fc a s e sa n dl o c a t i o na r eo b t a i n e d t h e na c c o r d i n gt ot h ej b 4 7 3 2 19 9 5 ( ( s t e e lp r e s s u r ev e s s e l s - - d e s i g nb ya n a l y s i s ) ) ，s t r e s s e si nr e s u l t s o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ea s s e s s e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ew h o l em o d e la n di t se l e m e n t so f t h eh e a te x c h a n g e rm e e tt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n tb yu s i n gn e ws t r e n g t h m o d eo ft h ee x p a n s i o n jo i n t s ot h en e wm o d ei sf e a s i b l e ，t h ed e s i g no f t h ee q u i p m e n ti ss a t e t h i sa n a l y s i sr e s u l t sc a r lb eu s e da su s e f u lr e f e r e n c ed a t at o o p t i m i z e dd e s i g ni nt h ec o m p l e x h e a te x c h a n g e r k e y w o r d s ：qe x p a n s i o njo i n t ，h e a te x c h a n g e r , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t e m o e r a t u r ef i e l d 1 u i v a l e n t。e s s ，s t r e n g t hmodeanalysis t l e l de q u l v a l e n ts t l l - t n e s ss t r e n g mm o a e ， 。 i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盏! 坠日期：堡生：! ：塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： ：蠡监 导师签名： 日期：一一旦坦：丝 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源：本项目是自选课题，对带有膨胀节的换热器进行应力分析和整体强度计算， 以验证该四管程固定管板式换热器膨胀节处及换热器整体强度的安全性。 1 2 论文选题的目的及意义 膨胀节是为补偿因温度差及机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或 管道上的一种挠性结构。其能够吸收轴向、横向以及角位移，具有工作可靠、性 能良好、结构紧凑、经济性优秀等优点。 我国自上个世纪五十年代起开始研制膨胀节，最早使用于仪表行业和航天行业， 八十年代，由于引入进了大量的石化、钢铁等工程项目，膨胀节产品也随之被配套使 用，到九十年代，由于设计、生产技术和科技的不断进步，膨胀节行业得到大力推广 【。随着我国国民经济的高速发展，该行业已经发展成为了一个新兴的行业，经济效 益和社会效益也越来越高。 无论在研究、设计还是制造等方面，我国的膨胀节行业与发达国家相比都还具有 一定的差距。随着我国国力的增强，经济的发展，制造业的崛起，膨胀节的需求量也 在不断攀升。 对膨胀节的研究有理论计算、实验以及有限元分析等几种常用的方法。随着世界 科技的不断发展，计算机技术的普及应用，有限元已经被人们广泛认识并大量使用。 实践证实，采用有限元分析来设计、验证和分析膨胀节是现实的、可靠的数值模拟仿 真方法，它能使设计、校核更方便、更省时、更经济、更有显著的经济效益，能使膨 胀节行业、压力容器行业乃至我国整个制造业得到更加有益的发展。因此，本课题也 选用有限元分析研究多层膨胀节及带膨胀节的换热器。 1 3 课题历史、现状和前沿发展情况 膨胀节广泛用于电力、炼油、石油、化工、冶金、航空、航天、船舶、核能、机 械、建筑等工业部门中管道或设备的热位移补偿、动力隔振以及管道与管道、管道与 设备、设备与设备的柔性连接 2 1 。 无论设备或是管路，对膨胀节这类补偿装置的基本要求都是：具有一定的承压能 北京化工大学硕士论文 力、较大的补偿量、合适的刚度、足够的强度、有可靠的使用寿命。另外，易于制造 与维修、价格低廉、安全可靠等特点也是对这些补偿装置的要求。 膨胀节按层数可分为单层和多层膨胀节：按波形可分为u 形( 目前广泛使用) 、 q 形、s 形和v 形；按加工工艺方法可分为机械涨型、液压成型、焊接成型、和电沉 积成型等 3 1 。 q 形膨胀节，是由圆环形截面的波壳与附在开口波谷处直边段上的加强环所组成 的【4 j 。近年来，随着经济的发展，大型化设备广泛使用，与之相配套的压力及温度等 参数也不断增高，因此，具有能承载较高压力、制造工艺较为简单、应力分布均匀、 不易产生应力集中等特点的q 形膨胀节被越来越多的使用。 多层膨胀节是由套合的多层薄壳构成，它具有刚度小、补偿量大及承压高等特点 5 1 。多层膨胀节比之单层膨胀节更为复杂，不仅涉及几何非线性、材料非线性，而且 包括结构边界非线性( 接触问题) 。 对于膨胀节的设计、理论计算及校核，我国主要使用g b 一1 6 7 4 9 1 9 9 7 ( 适用于压力 容器) 和g b t 1 2 7 7 7 - 1 9 9 9 ( 适用于管道) 作为行业标准。 设计固定管板式换热器的过程中，当管程、壳程的温差和压力达到一定值时，需 要考虑在壳体上设置膨胀节；不论采用何种方法设计膨胀节，基本上都可以从两个方 面考虑压力和温差对膨胀节所引起的各项应力，一是由换热器管程压力对膨胀节引起 薄膜和弯曲应力，二是由于要求膨胀节产生轴向伸缩量以起到补偿作用，对膨胀节沿 轴向的拉伸或压缩使膨胀节产生薄膜和弯曲应力1 6 j 。 7 0 年代以前，膨胀节的结构分析计算主要采用解析法。主要根据近似壳体、近似 圆柱体、近似简单梁的假设，根据弹性理论得到膨胀节的应力一应变值【7 1 。但是，这 样计算出来的结果跟实际实验结果存在着较大误差，一般需要使用标准中图表中给出 的修正系数来确定一个修正值。7 0 年代以后，伴随着计算机技术的飞速发展与广泛应 用，大量数值仿真模拟软件的出现，有限元分析在结构分析中的地位日益突出。有限 元在分析以及解决非线性问题，如几何非线性、材料非线性和结构非线性问题方面的 独特优势使其为越来越多的研究、设计人员所接受并应用。此种方法目前广泛应用于 设计以及生产部门。 一 有限单元法( 或称有限元法) 是将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个 子域( 单元) ，并通过它们边界上的结点相互连接成为组合体【8 】。用每个单元内所假设 的近似函数来表示全求解域内待求的未知场变量。同时每个单元内的近似函数由未知 场函数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达，通常表达式为矩阵形 式。场函数在联结相邻单元的结点上，应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解 的基本未知量。因此，求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转化为求解场函数结 点值的有限自由度问题。由原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解 2 第一章绪论 基本未知量的代数方程组。用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。嗍 由于单元在空间可以是一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状， 同时各种单元之间可以采用不同的联结方式，这样一来，工程实际中遇到的复杂的结 构及或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。有限元法开始是对线弹性 的应力分析问题提出的，很快就发展到弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问 题等，并进一步应用于流体力学问题、热传导问题等，而且可以利用有限元法对不同 物理现象相互耦合的问题进行有效的分析。【8 】 伴随着计算机软硬件技术的高速发展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型 复杂问题的有限元分析己成为工程技术领域的常规工作。虽然有限元计算能够使计算 更有效，更节省时间等优势，但其也存在自身的局限性，如分析时需要做一些理想的 假设，这使其分析计算的结果与实际设计使用还是存在一定的差距。 1 3 1 前人的研究成果 李添翔论述了q 形膨胀节的制造、设计和性能的试验研究。得出q 形膨胀节比之 u 形膨胀节内压产生的应力较小、疲劳寿命较长、抗内压失稳能力较强，因此适用于 较高压下使用，特别适宜于高内压大口径场合，其安全性和经济性显著阴。 陈孙艺、陈宗强、韦华家、邹国强、李添祥、黎庭新等对一单层薄壁膨胀节从解 析解、有限元解以及应力实测等方面进行了应力分析，结果表明q 形膨胀节结构性能 良好，但由于其结构特点及薄板的尺寸效应，按无膜液压成型技术工艺制作时其波形 会不可避免的产生一定的椭圆度，对其使用性能会产生一定影响【l o l 。 郭琳、白竞平通过数值计算分析了固定式列管换热器加波形膨胀节后对管板变 形、管扳弯矩、列管轴向应力诸方面的综合效应与影响。结论得出了对于固定管板列 管换热器，加膨胀节后，管板变形要发生变化，管板弯矩有可能增大很多。此外，由 于添加膨胀节，使管板挠度发生变化。列管可能由压缩状态转为拉伸，从而造成应力 腐蚀破坏的条件。对于容易发生应力腐蚀破坏的列管换热器，是否加膨胀节以及膨胀 节的结构尺寸均需慎重考虑。l l 赵英良等通过有限元分析和方差分析建立了膨胀节刚度和强度的数学模型，经优 化得到了膨胀节结构参数，兼顾了挠性、坚固性和经济性，对膨胀节的设计起着重要 作用1 1 2 】。 贾志刚、寿比南、梅海涛等采用有限元方法分析了膨胀节的结构强度，并借助于 a n s y s 软件较好的解决了处于塑性状态下多层膨胀节层间的接触问题。计算结果表 明，g b l 6 7 4 9 - 1 9 9 7 标准给出的膨胀节结构可以满足强度要求，但在设计时还要考虑 膨胀节的疲劳问题l l 引。 3 北京化工大学硕士论文 王刚、崔令江、张凯峰、孙金平对等离子弧焊和激光焊筒坯超塑成形的两组d n 2 5 0 钛合金波形膨胀节进行了检测，检测结果表明，超塑成形的钛合金波形膨胀节波峰壁 厚减薄率超过2 0 ，柔度和补偿性能优良，明显优于不锈钢波形膨胀节；稳定性试验、 耐压试验和气密性试验均符合设计要求；激光焊波形膨胀节在行程为1 5 m m 的情况下， 平均疲劳次数为1 7 0 0 次，其疲劳寿命比等离子弧焊波形膨胀节的疲劳寿命高2 0 以 i - - 0 4 1 l o 纪卫红通过对美国a s m e 和“美国膨胀节制造商协会 e j m a 标准与我国的 g b l 5 0 - 8 9 钢质压力容器中u 形膨胀节设计标准内容的对比，发现e j m a 包括膨 胀节的范围最广，标准颁布的最早，内容也最全面；而我国的g b l 5 0 8 9 附录e 中的 内容基本源于e j m a 和附录b b ，不足之处在于缺少内压失稳方面的内容，因此在这 一方面应该迸一步完善和提高i l5 1 。 刘俊明详细分析了固定管板式换热器设置膨胀节后在压力和温差作用下的变形 协调过程，引入了换热器轴向总刚度的概念，提出了设置膨胀节后壳体圆筒中轴向力 和轴向变形位移的实用计算方法，使计算过程规范化、简单化l l6 。 何家胜等运用有限元分析方法，从基本力学模型出发，对单层及多层u 形膨胀节 的轴向刚度进行了计算，并与e j m a 轴向刚度的计算结果进行了对比和分析，其结果 对u 形膨胀节的设计与研究有一定的参考意义 t r l 。 朱玉华就a s m e 增补的2 6 与1 9 9 3 年美国膨胀节制造商协会出版的第六版e j m a 标准与我国金属膨胀节通用技术条件g b y 1 2 7 7 7 9 1 进行了比较，发现三种标准对膨 胀节的设计、制造、检验标准基本一致，但又各具特点，在进行膨胀节的设计制造时 可根据膨胀节的使用工况及用户的要求采用相应的标准l l 引。 易南伟等论述了椭圆界面q 形膨胀节内压应力和位移应力的弹塑性有限元计算， 并对其进行了试验验证和分析【1 9 1 。 高海涛等对美国膨胀节标准e j m a 2 0 i 、日本膨胀节标准j i s b 8 2 7 7 及我国膨胀节 标准g b l 6 7 4 9 及g b l 2 7 7 7 从标准膨胀节的适用范围、结果形式与分类和设计标准等 方面进行了比较，结果发现，由于未考虑薄膜应力及初始角位移对失稳应力的影响， 我国标准给出的极限设计压力偏高，偏于不保守【2 l j 。 崔伯英、白忠喜介绍了q 形环膨胀节的结构设计，并对已运行着的两台换热器上 的膨胀节用有限元法及参考荷兰s t a m i c a r b o nc o ( 5 1 3 8 1 ) 规范进行了理论计算和 分析，认为此二台换热器上的膨胀节是安全可靠的l 列。 厉建文、吴东山分析了半再生重整装置二段混氢换热器膨胀节失效破裂的原因。 根据换热器膨胀节安装部位、结构、管壳程物料温度和压力，提出了膨胀节焊接方案、 预膨胀量调整方案并实施改造。校核了换热器受热温差线变形量与膨胀节伸缩量，均 满足强度要求、变形要求以及工艺操作条件因j 。 4 第一章绪论 张卫义等对乙二醇装置中的多乙二醇塔再沸器膨胀节产生的裂纹失效，进行了三 维有限元应力分析和应力强度评定，认为再沸器膨胀节产生裂纹失效的原因是强度安 全余量不足。再沸器膨胀节的危险截面在波谷、波峰圆弧中点附近，危险点在波谷圆 弧中点附近内、外表面和波峰圆弧中点附近内表面处【冽。 王大成以单波补偿量与其成本之比最大为目标函数，运用工程优化理论中的复合 形法对于q 形膨胀节编制了一套通用性强、使用方便、准确度高的大型程序。对于一 系列的高压条件下，大直径q 形膨胀节进行了优化设计。使用此法设计的q 形膨胀 节比传统的手工方法设计的结果要优越得多，不但降低了生产成本，而且极大地提高 了设计效率。1 2 5 j 张卫义、田海晏针对多乙二醇塔再沸器膨胀节，分别采用比较规整的8 节点六面 体单元和软件自动剖分功能生成的四面体单元或五面体单元建立三维有限元模型，进 行了有限元分析对比计算。提出在对膨胀节进行有限元分析时，保证其及附近区域内 单元都是比较规整、均匀的8 节点单元，才能得到较好的计算结果，而使用四面体或 五面体单元得到的计算结果精度较差。【2 6 j 白忠喜、崔伯英介绍了换热器种q 形膨胀节结构参数的优化设计方法。对于单 波q 形膨胀节，采用提出的方法优化设计，在保证其机械强度及疲劳寿命要求的同时， 能够节省材料，降低制造费用【2 。 胡丽莉论述壳体带膨胀节的固定管板换热器，因其膨胀节破坏而失效的修复方 案，针对不同的结构形式给出相应的更换膨胀节方法，通过设计计算确定相关件的结 构尺寸，采用合理的工艺方法修复，使失效的换热器在不解体的情况下快速恢复使用 功能，并通过应用实例说明修复方案的可行性【2 引。 k t s u k i m o r i 、k 1 w a t a 曾研究过u 形波纹管在内压载荷作用下的失稳性能，用 简化分析和有限元两种方法计算了波纹管的不同类型的失稳形式，并通过实验验证得 出，用载荷刚度矩阵的方法可以成功地分析波纹管的失稳性能，非弹性特征值的准确 解与实验相吻合1 2 9 j 。 赵英、王日忱、王玉仁针对某化肥厂中温换热器上膨胀节的失效原因进行了分析 并提出了应用膨胀节需注意，计算值与实际使用寿命值相差较大，计算值只是个参考 值，原因是膨胀节的疲劳寿命与膨胀节的制造质量、材料本身的质量密切相关p o j 。 通过立方体和圆筒的热分析，周小琴、李华强等介绍a n s y s 进行三维热分析的 基本过程：模型的构造、边界条件、问题的求解、结果分析。同时还介绍了a n s y s 在船用大型柴油机汽缸套的三维热分析中的应用1 3 1 1 。 谢志刚、陈小芹等运用a n s y s 对某加热器的平盖加筋封头考虑其既受热又受内 压的情况分别进行了应力强度分析；并运用耦合分析功能，在两种载荷同时作用下对 封头结构进行了应力强度分析；最后分析了温度载荷对平盖加筋封头结构应力强度的 北京化工大学硕士论文 影响【3 2 1 。 杨登福、任克峰运用a n s y s 软件对以平行杆件与刚性梁连接的热应力问题进行 了分析，计算了热应力和理论解，发现a n s y s 解与理论解完全一致，这一结果充分 证明了有限元进行结构分析的优越性【3 3 1 。 冷纪桐、吕洪、章姚辉、赵军运用a n s y s 软件分析了某固定管板式换热器高温 高压下的热分析与结构分析，计算得出管板的温度场以及温度场与结构耦合产生的应 力场；结果表明高参数下，温度载荷对换热器管板造成了很大的热应力【3 4 1 。 因为管板结构复杂，几乎无法对一个具有数以千计换热管的实际换热器进行直接 的三维有限元分析，为此s i n g h 3 5 j 与h o t l z 3 5 1 、o h o l 3 6 1 、k a s a h a r a ( 3 7 与1 w a t a l 3 7 等提出 运用简化模型来简化计算。 考虑了管子对管板受力的影响，w e i y aj i n 等人在对管板进行有限元分析时，建立 了两种两管程换热器整体模型，并考虑了温差应力的影响。他们建立的两种模型，管 子分别采用杆单元和管单元进行建模并比较，结果表明采用杆单元分析就足够精确 3 8 1 。 1 4 本课题分析研究的内容 由于本课题的多层q 形膨胀节是四管程固定管板换热器上的补偿元件。多管程的 设置会使换热器的横向产生温度梯度，这样就会引起弯曲应力。由于膨胀节的刚度与 换热器的刚度相比要小很多，因此，弯曲应力的存在使得膨胀节处变得十分不安全。 本课题就是采用有限元方法对换热器上膨胀节进行应力分析，以使其满足安全条件。 具体内容如下： 1 建立带加强环的单层单波q 形膨胀节和带加强环的多层单波q 形膨胀节的轴 对称有限元模型，分析两种膨胀节的刚度等效和强度等效条件。 2 建立带与多层膨胀节刚度等效的单层膨胀节的换热器模型，进行稳态的热分析 及热应力分析。 3 在结构上寻找合适的加强装置来加强膨胀节，使膨胀节处的弯曲应力降低到安 全范围内。 4 对改造后的换热器进行载荷工况分析及换热器整体与部分的安全评定。 6 第二章分析计算条件 第二章分析计算条件 2 1 q 膨胀节的分析计算条件 2 1 1 主要结构尺寸 本课题研究的膨胀节采用带加强环的q 形膨胀节，共有三个波。其中加强环部分 采用材料3 0 4 l ( 0 0 c r l8 n i 9 ) 不锈钢制造，膨胀节部分采用材料8 2 5 制造。具体尺寸 如图2 1 所示。 2 1 2 材料属性 图2 - 1 膨胀节结构简图 f i g 2 - 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f e x p a n s i o nj o i n t 膨胀节的加强环部分采用材料3 0 4 l ( 0 0 c r l8 n i 9 ) 不锈钢制造，膨胀节部分采用 材料8 2 5 制造，在膨胀节的两端尾部采用点焊与加强环连接起来，模型中并未可虑焊 点，采用耦合结点法来模拟焊接的作用，使膨胀节和加强环连接在一起。材料在操作 温度( 2 5 0 ) 下的力学性能分别见表2 1 。 北京化工大学硕士论文 材料密度p k g m - 3 弹性模量e p a 泊松比肛 7 8 0 0 1 9 6 1 0 1 1 o 2 9 2 2 换热器的分析计算条件 2 2 1 主要结构尺寸 本课题中换热器属于卧式容器，换热器整体长度为9 6 3 7 5 r a m ：采用固定式管板， 外径为0 1 2 7 0 m m ；固定端管板厚度为：2 6 0 m m ；材料为a s t ma 1 8 2 f 3 0 4 l ：浮动端 管板厚度为2 5 5 r m m 壳体内径为0 9 0 0 m m ，壁厚为3 4 n u n ；材料为a s t ma 2 4 0 3 0 4 l ； 膨胀节采用带加强环的q 形膨胀节，三个波，材料为8 2 5 ；蒸汽进口n 3 外径为 0 3 6 8 3 n m a ，壁厚为5 7 1 5 n u n ：材料为a s t ma 3 1 2 - t p 3 0 4 l a s t ma 1 8 2 f 3 0 4 l ；蒸汽 出口s v l 外径为0 2 3 4 9 r a m ，壁厚为4 1 2 5 n u n ；材料为a s t ma 3 1 2 t p 3 0 4 l a s t m a 18 2 f 3 0 4 l ；凝液出口n 4 、n 5 外径为0 2 9 8 4 m m ；材料为a s t ma 31 2 一t p 3 0 4 l a s t m a 1 8 2 f 3 0 4 l ；换热管规格为1 9 0 5 x 3 0 5 m m ，材料为2 r k 6 5 不锈钢无缝钢管；换热管 总根数为9 0 2 根，在管板上为转角正方形排列。换热器主要结构尺寸如表2 2 所示， 换热器结构图如图2 - 2 所示。 表2 - 2 换热器主要结构尺寸 t a b l e2 - 2h e a te x c h a n g e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r 8 黑盯 北京化工大学硕士论文 2 2 2 工艺条件 根据给定的数据整理换热器设计参数表。换热器设计参数见表2 3 。 表2 3 换热器设计参数 t a b l e2 - 3h e a te x c h a n g e rd e s i g nc o n d i t i o n s 2 2 3 主要材料属性 本换热器一共使用了三种材料，壳体和接管：a s t ma 2 4 0 3 0 4 l ：膨胀节：8 2 5 ； 换热管：2 m ( 6 5 ( 不锈钢) ，这三种材料在操作温度( 2 5 0 。c ) 下的材料属性见下表l 一1 ， 在设计温度和操作温度下的许用应力强度见表具体材料属性见表2 4 。 表2 4 主要材料特性 t a b l e2 - 4m a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s 注： 在左右管板区，由于有数量很多的换热管，而实际的管板区就有很多的开孔，这 样势必造成管板区刚度减小。综合考虑管孔对管板刚度的削弱作用和管束对管板刚度 的加强作用，因此在实际计算时在布管区域刚度等效为实际刚度的o 4 倍。布管区域 等效弹性模量e = 1 7 3 1 0 n 0 4 = 6 9 2x1 0 1 0 需要注意的是，在最后对管板区进行强度评定时，应力强度还得“等效 回去， 因为实际管板区材料的弹性模量实际并没有减小，这样做只是出于问题的简化和处 理。 1 0 第三章三维有限元模型的建立 第三章三维有限元模型的建立 3 1a n s y s 通用有限元程序简介 a n s y s 是一种融合结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型c a e 通用有限元 分析软件，是当下最常用的有限元分析软件之一。除其具有基本功能，包括结构静力 分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、计算流体动力学分 析、声场分析及压电分析外；还具备如多物理场耦合分析、优化设计、拓扑优化、单 元生死、可扩展功能等其他高级功能【3 9 】。a n s y s 现已成为国际公认的工程仿真及校 验工具。 自从1 9 7 1 年的a n s y s2 0 版本到现在使用的a n s y s l 2 0 ，a n s y s 已有4 0 年左 右的历史。目前a n s y s 已被人们广泛认可，并大量应用于汽车、石油、化工、等行 各业。同时，a n s y s 公司也有很大发展，自1 9 7 0 年成立来，先后收购了流体仿真领 域处于领导地位的f l u e n t 公司及电磁仿真领域处于领导地位的a n s o t t 公司。经过一系 列正合，该公司目前以成为世界最大的仿真软件公司。 目前，全国压力容器标准化技术委员会已认可a n s y s 为与压力容器分析设计标 准( j b 4 7 3 2 1 9 9 5 ) 相适应的有限元分析软件，可以用于压力容器分析设计。 本课题主要使用了a n s y s 有限元分析软件中的结构分析和热分析两个模块。 3 2 本课题所选用的单元简介 在本课题的有限元模型中主要使用了p l a n e 4 2 、c o n t a l 7 2 、t a r g e l 6 9 、 s o l i d 4 5 、s o l i d 7 0 、以及l i n k 8 六种单元。 3 2 1p l a n e 4 2 二维平面单元 p l a n e 4 2 用于建立二维平面结构模型。本单元既可用作平面单元( 平面应力或 平面应变) ，也可以用作轴对称单元。此单元有4 个节点，每个节点有2 个自由度， 分别为x 和y 方向的平动自由度。同时，p l a n e 4 2 具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应 力刚度、大变形以及大应变的能力，并可以支持额外的位移形状。p l a n e 4 2 单元是常 用的平面单元。 本课题用p l a n e 4 2 轴对称单元模拟分析单波三层q 膨胀节与q 单层膨胀节问 题。该单元的具体形状和坐标见图3 1 。 北京化工大学硕士论文 啊a 嘶一) l l x 。o r 豫d 睁 j f m 扪鲫f 曩ro p t i o n - n a tr e c o m m e n d e d ) 图3 - 1p l a i e 4 2 二维平面单元结构示意图 f i g 3 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fp l a n e 4 2 e l e m e n t 3 2 2c o n t a l7 2 t a r g e l 6 9 二维三节点面一面接触单元 c o n t a l 7 2 用来定义一个二维目标面( ，i = 根g e l 6 9 ) 和一个可变形表面间的接触 和滑动单元。这个单元可以用于二维的结构、耦合接触分析。本单元覆盖于二维实体 单元表面，有中间节点。当单元表面渗透到指定的目标面上时，接触现象发生。 二维表面接触单元是通过共用一个实常数来和二维目标面( t a r g e l 6 9 ) 相联系 的。a n s y s 是通过相同的实常数来寻找面间接触的。对于刚体一柔体接触或者柔体 一柔体的接触，其中可变形的面必须用接触面代表。 该单元支持多种二维应力状态，包括平面应力，平面应变，和轴对称状态，应力 状态会根据所覆盖的实体单元的应力状态自动探测。 本课题选用此单元作为接触单元创立接触对。该单元的具体形状和坐标见图3 2 。 x 图3 - 2c o n t a l 7 2 二维三节点面- 面接触单元结构示意图 f i g 3 - 2s 仃u c t u r ed i a g r a mo f c o n t a l 7 2e l e m e n t t a r g e l 6 9 用来定义一个与不同的接触单元相关的二维目标面。这些接触单元本 身附着于有边界变形和潜在接触的固体单元。目标面被离散成小的目标单元，通过设 定相同的实常数与相关的接触面配对。目标单元可以被施加平动或是转动位移、温度、 电压、电磁力，也可以施加力和力矩。 通过定义通过的实常数，一个目标面只能和一个接触面匹配。然而，许多接触单 元可以组成一个接触表面与同一个目标表面匹配。相似的，许多目标单元可以组成一 1 2 v l 第三章三维有限元模型的建立 个目标表面与同一个接触表面相匹配。不论是目标表面还是接触表面，都可以设定不 同的单元为一个目标或是接触表面，但是这样会占用更多的计算机内存。因此，设定 范围越小的目标或是接触表面对于以后的分析越有效。 本课题选用此单元作为目标单元创立接触对。该单元的具体形状和坐标见图3 - 3 。 t 钢搏s 叼鹏糠 t 卞。 龟 图3 - 3t a r g e l 6 9 二维三节点面面接触单元结构示意图 f i g 3 - 3s t r u c t u r ed i a g r a mo f t a r g e l 6 9e l e m e n t 3 2 3s o l i d 4 5 三维实体单元 s o l i d 4 5 单元是构造三维固体结构单元。单元有八个节点，每个节点同时具有三 个自由度，分别是沿着x 、y 、z 方向的平动。单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强 化、大变形和大应变能力。单元需要定义的主要材料常数有杨氏模量( e x 、e y 、e z ) ， p o i s s o n 比和密度等；输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移以及相应的单 元导出解。 s o l i d 4 5 单元是结构分析的常用单元，本课题主要用其来模拟换热器的管板和壳 体。该单元的具体形状和坐标和坐标见图3 4 。 o p k l l 水卵l 图3 - 4s o l i d 4 5 三维实体单元结构示意图 f i g 3 4s 觚t u r ed i a g r a mo fs o l i d 4 5e l e m e n t 北京化工大学硕士论文 3 2 4s o l i d 7 0 热分析实体单元 s o l i d 7 0 是与s o l i d 4 5 相对应的热分析单元。s o l i d 7 0 具有三维热传导能力， 它具有八节点，每个节点有一个热自由度。此单元可以做稳态和瞬态热分析。它的载 荷可以是温度和对流，可以输出节点的温度。此单元分析的温度场结果r t h 文件可 以以温度载荷的形式直接施加在s o l i d 4 5 单元的节点上。s o l i d 7 0 将在本课题的热 分析中使用。 该单元的具体形状和坐标以及退化单元同s o l i d 4 5 ，见图3 - 4 。 3 2 5l i n k 8 三维杆单元 l i n k 8 单元为三维杆单元。每个节点具有三个自由度：分别为沿节点坐标系x 、 y 以及z 方向的平动。单元不承受弯矩，具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、 大应变功能。l i n k 8 单元可以在节点上施加温度载荷。 本文中应用l i n k 8 单元来模拟换热管，在热分析中不参与计算。该单元的具体 形状和坐标见图3 5 。 z 3 3 接触问题简介 y 图3 - 5l i n k 8 三维杆单元示意图 f i g 3 - 5s t r u c t u r ed i a g r a mo f l i n k 8e l e m e n t 接触是一种常见的物理现象，它是结构非线性类型中一个特殊的子集，是一种高 度非线性行为。典型应用包括：动态冲击，金属成型，螺栓连接，部件装配，过盈配 合等1 4 0 l 。由于涉及到接触状态的改变，因此接触现象很复杂。 接触问题有两个较大难点。其一，在求解问题之前，多数情况的中接触区域是未 1 4 第三章三维有限元模型的建立 知的，而且随着载荷、材料、边界条件及其他因素的不同，可能的接触面之间会突然 接触或突然不接触，这会导致系统刚度的突然变化；其二，多数接触问题包括摩擦， 由于摩擦与路径有关，是非线性的，接触也是无序的，因此收敛问题就成为另一个难 点m 。 接触问题可以分为两种基本类型：刚体- 柔体的接触，半柔体柔体的接触。在 刚懈体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，( 与它接触的变形体相比， 有大得多的刚度，认为是完全刚性的) 。一般，一种软材料和一种硬材料接触时，被 认为是刚体与柔体的接触；两个有近似的刚度的接触体都是变形体的接触时，被认为 是柔体与柔体的接触，这种接触更为普遍。1 4 0 l 有限元法在接触问题中的研究始于2 0 世纪7 0 年代初。a n s y s 支持的接触方式 有三种形式，分别是：点一点接触、点一面接触及面一面接触。 面一面接触单元主要适用于过盈装配安装接触或是嵌入接触、锻造、拉伸问题。 此单元具有很多优点，如：支持接触面和目标面上的低阶和高阶单元、支持有大滑动 和摩擦的大变形、协调刚度阵计算、提供工程目的采用的更好的接触结果、没有刚体 表面形状的限制、需要较少的接触单元、需要较小的磁盘空间和c p u 时间、允许多 种建模控制等。此种接触单元支持结构分析。【4 0 j 点一面接触单元，通过一组节点来定义接触面，生成多个单元。面可以使刚性体 也可以使柔性体。使用此接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也 不需要保持一致的网格。因此适用于不确定接触位置的情况。 , i o l 点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为，需要预先知道接触的位置。此 类接触只适用于接触面之间有较小相对滑动的情况。j 本课题采用了柔体柔体的面一面接触单元。 3 4 膨胀节有限元模型的建立 3 4 1 几何模型与有限元模型的建立 为了计算方便，对三层膨胀节模型进行如下简化： ( 1 ) 不考虑膨胀节各层之间可能存在的间隙，认为层与层之间紧密贴合，即间隙 细微、均匀，但不存在预应力。 ( 2 ) 不考虑材料缺陷，去除影响甚小的不确定因素，将模型等效为轴对称模型。 实际膨胀节为带加强环的三个波三层q 形膨胀节，在a n s y s 计算中，只需选取 其中一个波即可。因此根据其相应的尺寸，利用a n s y s 的p l a n e 4 2 轴对称单元建 立单波膨胀节的几何模型，如图3 - 6 所示。 1 5 北柬化t 人# 颤1 论女 目j 一o w n 1 一q 一h f i 9 3 - 6 g e o m e t r i c m o d e lo f t h e3 - l a y e r e x p a n s i o n j o i n t “ 醐3 - 7 早珐脬肌1 】儿1 a j 懊型 f 嘻3 - 7 g e o m e t r i c m o d e lo f t h e m o n o l a y e r e x p a n s i o n j o i n t 同样对单层膨胀节模型采用相同的p l a n e 4 2 轴对称单元，如图3 7 所示。 对上述几何模型采用四边形规则网格划分，三层膨胀节中的任何一层均沿厚度方 向划分为两层，生成的有限元阏格如图3 8 和3 - 9 所示。 图，- 8 三层膨胀1 卜有限元模型 f i g 3 8f i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h em o n o l a y e re x p a n s i o n j o i n t 一 一 一 镕i $ = 镕有目“模型l 勺建 3 4 2 约束