（机械制造及其自动化专业论文）管壳式换热器管板应力的三维有限元分析.pdf

南京理t 大学硕十学位论文管壳式换热器管扳戍力的二维有限元分析 摘要 管壳式换热器是石油化学工业中最常见的设备。而管板是管壳式换热器中最重 要也是最复杂的承压部件。它对整台换热器的安全性和经济性有极重要的影响。 本论文在研究管壳式换热器的兼作法兰管板时突破了前人对管板分析时应用“等 效管板理论”的局限，建立了包括壳体、管束在内的管板三维实体有限元模型，法 兰垫片用等效的均布比压来代替。在此基础上，分析了管板的温度场分布，并按照 应力分析设计标准j b 4 7 3 2 1 9 9 5 分析了管板在包括开工、正常工作和停车等过程中 可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况。 通过温度场分析得到管板上温度的分布规律为：在管板的布管区，管板大部分的 厚度上温度接近流经该处换热管的管程流体温度，只在管板靠近壳程流体一侧很薄 的一层管板材料内温度才接近该处附近壳程流体温度。 通过强度分析表明，温度载荷对管板造成了较大的热应力，而且在温度载荷及压 力载荷共同作用的工况，热应力决定了整个管扳系统的应力分布；本题研究的管板 的危险工况不是发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正常操作工况下， 而是发生在可能出现的壳程压力先停( 管程载荷和温度载荷同时作用) 的瞬态工况 下。 通过分析得知，管板的原始设计在后四种工况下( 伴有温度载荷作用的工况) 强 度校核均不合格。论文对其设计方案进行了改进，最终强度校核合格。 关键诃：管板，有限元，温度场分析，应力分析 、 南京理工大学硕十学位论文 管壳式换热器管扳戍力的三维肓限元分析 a b s t 刚把t t u b e a n d s h e l lh e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e d i np e t r o c h e m i c a l i n d u s t r i e s t u b e s h e e ti st h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p li c a t e dp a r to ft u b e a n d s h e llh e a te x c h a n g e r i td e t e r m i n e st h ee c o n o m i ca n ds e c u r i t yo ft h ew h o l e h e a te x c h a n g e r i nt h i sp a p e ra3 - df i n i t ee l e m e n ts o l i dm o d e lo ft u b e s h e e t w i t hs h e l l a n dt u b e ，f l a n gs e a li sr e p l a c e db ye q u i v a l e n te v e np r e s s u r e ，i se s t a b l i s h e d f o r t h ea n a l y s i so ft h et u b e s h e e td o u b l ea sf l a n g e w i t ht h em o d e l ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h em o d e li sa n a l y z e d ，a n dt h e n ，b a s e do nt h es t r e s s a n a l y s i ss t a n d a r dj b 4 7 3 2 1 9 9 5 ，t h es t r e s sa n a l y s isa r ed o n ef o r7s t e a d yo r t r a n s i e n to p e r a t i n gc a s e sw h i c hm a yo c c u rd u r i n gs t a r t u p ，s t e a d yo p e r a t i n g a n ds h u t d o w n t h er e s u l to ft e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s isi n d i c a t e st h a tt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h ep e r f o r a t e dr e g i o no ft h et u b e s h e e ti st h a tt h et e m p e r a t u r e o ft h et u b e s h e e tf r o mi t st u b e s i d ef a c ea n da l o n gm o s to fi t st h i c k n e s si s c l o s et ot h et e m p e r a t u r eo ft h et u b e s i d ef l u i df l o w i n gt h r o u g ht h et u b e s ，a n d o n l yi nav e r yt h i na r e af r o mi t ss h e ll s i d ef a c et h et e m p e r a t u r ei sc l o s e t ot h et e e r a t u r eo ft h es h e l l s i d ef l u i dn e a rt h et u b e s h e e t t h er e s u l to fs t r e s sa n a l y s i ss h o w st h a tt e m p e r a t u r el o a di n d u c e d r e m a r k a b l et h e r m a ls t r e s s ，a n du n d e rp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r el o a d ，t h e d i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sd e p e n do nt h et h e r m a ls t r e s s t h em o s td a n g e r o u s c a s s ei sn o tt h es t e a d yo p e r a t i n gc a s e ，b u tt h et r a n s i e n tc a s ea tt h em o m e n t t h a tt h es h e l l - s i d ef l u i di sj u s ts h u td o w n ，b u tt u b es i d ep r e s s u r el o a da n d t h e r m a ll o a ds t i l lr e t a i n t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h eo r i g i n a ld e s i g no ft h et u b e s h e e tw a s n t s a f ea t4c a s e sl a t e r t h ed e s i g n si m p r o v e m e n tw a sm a d e ，a n df i n a l l yt h e t u b e s h e e tiss a f e k e yw o r d s ：t u b e s h e e t ，f e m ，t e m p e r a t u r ea n a l y s i s ，s t r e s sa n a l y s i s 南京理t 大学硕士学位论文 管壳式换执器管扳应力的_ 三维有限元分析 l 概述 1 1 课题来源 受南通万基制造有限公司委托，对该厂为用户设计制造的一台高效换热器进行验 证性有限元分析，并保证在安全可靠的前提下，提出设计的优化与改进，达到最佳 经济效益。主要参照标准有j b 4 7 3 2 - 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准m 和 g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器嘲及g b l 5 1 - 1 9 9 9 钢制管壳式换热器设计规定嘲。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 与管壳式换热器管板计算有关的理论问题，目前是一个活跃的研究领域。因为 管板的实际受力情况十分复杂，在研究中往往将实际情况加以理想化，以进行强度 分析、推导和论证，这导致计算与实际情况存在着差异。在管壳式换热器内，由于封 头、管箱、壳体、管子的内压强度和外压稳定计算，以及支座的强度计算及其壳体 部分的局部应力计算，与普通压力容器相同，而在换热器的实际使用中经常碰到在 管板和法兰部分发生泄漏。因此，管壳式换热器管板的应力分析和计算就显得非常 重要。管扳是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件的载 荷的主要部件，是管壳式换热器不可缺少的重要元件。 1 2 1 国内外主要规范 ( 1 ) 国外主要规范 国际上几个重要的工业化国家对管板的安全评定都有自己的一套安全规范有 美国的t e m a 、日本工业标准j i s 、英国的b s 、及美国的a s m e 规范、德国的a d 规范。 这些规范对管板的强度计算公式大体上基于以下几种不同的假设”1 。 第一种是将管板视为在广义弹性基础上受均布栽荷的钻孔圆板，管板中的最大 弯矩取决于边缘支承情况、载荷大小、连接刚度、基础刚度、几何尺寸等因素。 第二种是以承受均御载荷的圆板公式为基础，加入适当的修正系数来考虑管板所 具有的特性，这种计算方法带有经验性。 第三种是以换热管保持一定刚度作为管板的固定支撑，管板即为在固定支撑下的 平板；管板厚度取决于管板上非布管区的范围，按平板计算其强度，目前适用于国 内薄管板的强度计算。 各种计算方法，由于它们推导的依据不一，采用的简化假定各不相同，以致造成 同样的管板设计条件，由于采用不同的计算公式，计算结果的厚度差别甚大，直到 目前尚未能完全统一儿矧“妇。一般来说，不同的结构有不同的计算方法，要用一个 计算方法来统一是比较困难的川”“。 ( 2 ) 国内规范 1 南京理t 大学硕士学位论文管壳式换执器管扳戍力的三维有限元分折 1 9 7 7 年以前我国还没有自己的管板设计计算公式，1 9 6 7 年原化工郎颁发的钢 制化工容器设计规定( 试行本) 中的固定式换热器管板厚度计算，直接引用了英国 b s l 5 0 0 ：1 9 5 8 中的计算公式。 我国g b l 5 1 标准中管板设计计算公式是把管扳作为放置在弹性基础上，承受着 均布载荷且受到管孔均匀削弱的当量圆平板来考虑的。弹性基础理论是米勒首先用 于管板计算，后来收入英国标准。该标准是在英国b s 杯准的基础上进一步发展的。 主要是确定了管板周边支承系数，使支承情况比较符合实际，但在推导的假设上和 计算中，还存在一些问题，有待迸一步提高。其基本出发点如下嗍“”“： 管束对管板的支承作用如果管板的直径与换热管直径相比较足够大，且换 热管的数量又足够多，则离散的各个换热管的支承作用可以简化为均匀连续支承管 板的弹性基础，一股称为第一弹性基础，管束对管扳在外载荷作用下的转角也具有 一定的约束作用，即为第二弹性基础。这黾只考虑管束对管板挠度的约束作用，在 计算公式中用管柬加强系数k 来表示。 管孔对管板的削弱作用把受离散的管孔削弱的板简化为连续的刚度与强度 降低了的当量实心板计算。管孔边缘产生局部的应力集中不予考虑。 无论是在压力与温差作用下，或是在法兰力矩作用下，考虑壳体、封头与法兰 等对管板的弹性约束，按照管板的实际支承情况来计算管板的实际应力分布。 考虑了管板边缘未开孔的环形区域的影响。 对管壳式换热器管板的强度分析采用结构“力法”来进行。将换热器假想分解为 若干个单独的部件，以部件间相互作用的内力素作为基本未知量，给出每个单独的 部件，以部件间相互作用的内力素作为基本未知量，给出每个单独的位移与作用在 该部件上的内力素的关系式，列出各部件问应满足的变形协调条件，并将这些变形 协调条件组成以内力素为基本未知量表达的变形协调方程组，解这组线性代数方程 组，可以求得各内力素，并从而求得管板内的应力。 1 2 2 本研究领域的国内外现状 ( 1 ) 有关危险工况 关于“固定管板式换热器危险工况”的问题，九十年代初，自g b l 5 l 8 9 “钢制 管壳式换热器”颁布执行以后，由于其在有关固定管板式换热器设计部分提出了管 板的四种危险工况，而对换热器壳体与管子的危险工况没有作详细说明，使国内学 术界和工程界针对此问题展开了讨论“”。 固定管板式换热器是一个由管板、管子、壳体三者，即由管板管束系统和壳体系 统组成的超静定结构。外界对这个超静定系统的影响主要有管程压力、壳程压力以 及换热管和壳体的自由膨胀差。这三者在换热器正常操作时总是同时存在，但是在 2 南京理t 大学硕十学位论文 管壳式换执嚣管扳戍力的三维有限元分析 异常操作、事故操作、试验操作时，三者可能只存在其中的二者或一者。在固定管 板式的换热器的强度计算时，由于要分别计算管板、管子、壳体的应力，管板、管 子、壳体又各自采用不同材料制成，且应力性质各个不同，所以在设计中应根据三 者共存或仅存在其中一者或二者时分别计算管板、管子、壳体可能引起的最大应力， 这就是固定管板式换热器的危险工况问题“”。 在关于“固定管板式换热器危险工况”的研究讨论中，国内理论界和工程界采用 结构分析原理，分析了换热器壳体与管子在外界载荷作用下应力产生的机理，得出 了壳体、管子的应力与载荷的相应关系。并分析了美国t e m a 、a s m e 一1 、法国c o d a p 和我国g b l 5 1 1 9 9 9 、j b 4 7 3 2 等标准中对固定管壳式换热器设计中管子和壳体应力的 计算公式，指出根据换热器的操作条件即管程压力、壳程压力以及换热管和壳体的 自由膨胀差，这三个因素单独作用或组合作用，固定式管板换热器当管板不兼作法 兰时，其可能出现的危险工况一共可有七种工况，当管板兼作法兰时，其可能出现 的危险工况一共可有九种工况。但是由于固定管板式换热器有不同的结构条件，如 带或不带膨胀节，管子和管板的各种不同连接形式等，以及在既定结构条件下管板、 管子、壳体不同的直径、相对厚度和相对刚度，在不同条件下使得管板、管子、壳 体应力的相对值也随着发生变化，所以仅由操作条件并不能对换热器的真正危险工 况作出判断，真正的危险工况只能是在确定了换热器结构和各元件的具体尺寸后通 过应力计算确定“”。 由于规范本身就做了很多的假设，因此工程上应用就有很大的局限性。实际工程 中常遇到的温度以及其他载荷形式的处理有时不符合工程中的实际情况。而对管板 的结构与其他因素耦合的分析，前人做了大量的工作，取得了显著的成果，这些成 果已经用于工程实际中。 ( 2 ) 热载荷研究 对压力载荷和热载荷作用下的换热器管板进行理论研究，其先驱可推 g a r d n e r 。“和m i l l e r 。根据g a r d n e r 的分析，认为孔板中只在靠近板表面的一薄层 金属中存在较大的温度梯度( 称为“表面热效应”) ，因而只在板表面处存在显著的 热应力，而其余部分热应力可以忽略，但实际上管板中的温度场复杂得多。由于其 结构本身的复杂，几乎无法对一个具有几千根管子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 嘲1 与h o l t z ，o h o l m l ，k a s a h a r a 啪与1 w a t a 等对此进行了各种 简化分析。 在我国，徐鸿”“川“”将a s m e 关于管扳设计的新方法和新思路较早地介绍入我国。 陈罕“”等采用有限单元法对固定管板应力进行了计算，将我国现行换热器标准在计 算中考虑到的因素都包含进去，并保持了标准中对管板力学特性的假设不变，而且 还可以比国家标准的计算方法有更大的灵活性，适应更多的管板结构形式，与实验 3 南京理t 大学颂学位论文管壳式换执器管扳府力的- - 维f i 限元分析 的结果相一致，精确度也达到了要求。 j b 4 7 3 2 对换热器管板看做是各向同性的轴对称结构，在材料的弹性范围内，且 弹性模量和热膨胀系数保持不变的情况下计算热应力，但是没有给出壁温的计算方 法。薛明德、吴强胜“5 “”1 试图从管板( 包括与其相连的换热管与壳体) 的温度场、 热应力分析出发去探计改善管皈设计的途径，提出了一种分析换热器管板温度场的 简化方法。其分析得出的结论是在布管区与非伟管区过渡处、管板与壳体连接处有 较大的温度梯度，而管子与管板胀接处的接触热阻使管板中的“表面热效应”减小， 并使管板厚度方向的温度梯度均匀化”1 。 北京化工大学的冷纪桐、吕洪“7 1 等通过对一台高参数换热器的温度场与热应力分 析，得出布管区的管板低温侧的温度急剧下降，非布管区的温度变化缓慢，而布管 区的中心区呈现出明显的“表皮效应”。通过对换热器温度场的计算，得出温度急剧 变化的区域是在管板的壳程侧薄层以及管板与换热管胀接的部分区域。同时经过应 力计算与分析，发现在管板壳程侧以及壳程侧管板与换热管胀接处应力变化剧烈， 同时进一步验证了在高参数下，温度载荷对换热器的管板造成了很大的热应力，设 计时需要引起重视，更应该对管板的温度场进一步作比较精确的分析。 ( 3 ) 管板有限元分析 前人用有限元对管壳式换热器强度计算时，采用的有限元模拟方法是采用轴对称 一维蜕化板单元模拟弹性基础的管板，管束为弹性基础、采用轴对称一维蜕化壳单 元模拟壳体和管箱、采用8 节点等二维单元模拟法兰、采用轴对称一维蜕化壳单元 或弹簧单元模拟膨胀节、用弹簧单元模拟螺栓、以及采用特殊的过渡单元进行一维 单元和二维单元连接模拟的方法。该方法的特点是应用多种单元组合，利用管板属 于在弹性基础上薄板的特点，以较少的单元数和节点模拟整个固定管板式换热器包 括管板、管束、法兰、管箱、壳体、膨胀节和螺栓等零件，这种方法计算时间较短， 计算机容量要求不大。其缺点是：采用了当量板，这本身就是对模型的简化，梁一 壳模型本身对换热器整个几何结构上的简化，也使得计算的精度降低；由于采用了 梁一壳模型，这给涉及温度场的分析带来困难，使整个分析精度降低“1 。 大连理工大学的侯佐岗和李峰在8 0 年代就曾利用北京大学编制的s a p 5 微机分析 程序，在a t 计算机上对d z w 3 6 0 7 9 5 7 c a i i i 型热水锅炉进行了有限元分析。因为受 到软件和硬件的限制，他们只分析了2 2 6 个节点，1 6 8 个板壳单元，5 5 个空间桁架 单元和一个空日j 梁单元，1 2 0 0 个自由度的模型。通过分析了解了锅炉管板上的应力 分布，为锅炉结构的合理设计提供了理论依据9 】。 1 9 9 7 年太原工业大学的刘俊明等人首次应用a n s y s 软件，对基于等效管扳理论 的厚管板进行了分析。结论认为管板的最大应力发生在管板与管箱连接的过渡圆弧 处1 8 】。 4 有限元分析 y a j i n 啪1 等人在对管板进行有限元分析时考虑了管子对管扳受力的影响。他们分析的是两管 程的换热器，并考虑了温差应力的影响。还建立了两种模型，管子分别用杆单元和 管单元进行模拟“”“。 2 0 0 2 年，北京化工大学的冷纪桐、吕洪等人应用a n s y s 软件，应用实体单元、 壳单元和梁单元建立了管板和换热管的较真实模型，进行了温度场和热应力分析。 画出了管扳上的温度分布云图和管扳沿厚度方向上的温差应力的变化曲线。计算结 果表明在高参数下，温度载荷对换热器管板造成很大的温差应力“”。 2 0 0 4 年，浙江大学的胡锡文等人应用a n s y s 软件，用实体单元建立了考虑管子、 壳体和垫片压力影响的薄管板真实模型。对处在压力和温度载荷共同作用下的换热 器进行了分析。同时对单独管板( 不考虑管子和壳体及管箱) 模型进行了热分析， 得到了管板上的温差应力的分布“”。 2 0 0 5 年，北京大学的刘海亮等应用a n s y s 软件，建立了u 形管换热器管板( 包 括管箱、壳体和换热管) 的三维实体有限元模型。在此基础上，分析了管板的温度 场分布，并按照应力分析设计标准j b 4 7 3 2 分析了包括开工、正常工作和停车等过程 中可能出现的七种瞬态和稳态操作工况下的强度状况”1 。 1 2 3 发展趋势 换热器的危险工况不一定发生在管程载荷、壳程载荷和温度载荷同时作用的正 常操作工况，而有可能发生在某个瞬态操作工况下。所以为保证安全，在对换热器 管板分析设计时，对各种稳态、瞬态操作工况都进行分析比较，找出危险工况。 随着工业的迅速发展，过程设备越来越向大型化、复杂化和强度化方向发展，其 结构和形状也越来越复杂，为了适应这种需要，应采用设计方法是以弹性应力分析 和塑性失效、弹塑性失效准则为基础的方法，即分析设计方法。但这种方法应力分 析设计属于校核式设计，如对管板设计而占，先要假设一个管板厚度，然后采用应 力分析校核厚度是否合适，若厚度选择不当时，则要通过反复的运算才能得到一个 经济而又安全的设计结果。因此，有必要在应力分析设计过程中引入优化设计”小”1 。 1 3 课题研究的目的与意义 在过程工业生产过程中，绝大多数化学反应或传质过程都伴随有热量的变化。 为了保证这些过程能够连续进行，就必须排除多余的热量或补足所需的不足热量； 并且为了最大限度地利用和节约能量，工艺过程中的废热或余热也需要回收利用， 以及为了便于储存和运输，反应过程中得到的产品也必须进行冷却或冷凝。总之， 几乎所有的工艺过程都有加热、冷却或冷凝的过程，而热量的传递和交换都必须通 南京理t 大学碗 学位论文管壳式换热器管扳戍力的二维肓限元分析 过换热设备进行。因此，换热设备是过程工业尤其足石油化工中重要的工艺设备， 而且也是重要的节能设备，其在石油化工装置中的用量很大，据统计，换热设备约 占石油化工工艺设备总投资的1 0 - 4 0 ；台数占工艺设备总台数的2 5 7 0 ；重量占 工艺设备总重量的2 5 5 0 ：检修工作量可达总检修工作量的6 0 - 7 0 1 2 1 。 随着综合利用能源和提高经济效益的日趋重要，换热器结构性能的设计面临着 新的挑战。而管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史，现在它被当作一种传统的 标准换热设备在许多工业部门中大量使用，尤其是在石油化工、能源等部门。一般 来说，管壳式换热器易于制造、生产成本低，选材范围广，适应性强，易于清洁， 处理量大，工作可靠，且能适应高温高压，特别是在高参数的工况条件下，更显示 出其独有的长处，仍然是当今应用最为广泛的换热设备，约占换热设备总重的7 0 。 目前，国内外在提高管壳式换热器性能方面作了大量的研究，尤其为了大型化发展 和适应高参数要求所进行的结构改进，从而达到使换热器提高紧凑程度，节省材料， 减缓结垢速度及改善传热等目的。 管板是管壳式换热器的主要部件之一，特别是在大直径和高压力的场合下，管板 的材料供应、加工工艺、生产周期往往成为整台设备生产的决定因素。正确地分析 管板受力状态，合理确定管板的厚度，对保证换热器的安全运转，节约材料，降低 成本，无疑起着相当重要的作用。在传统的设计中，鉴于压力设备安全问题的重要 性，世界各工业国都制定了相应的规范，其设计往往偏于保守，使得设计的容器显 得又笨又重；另一方面，保守的设计会引起用户和制造厂家成本上升，从而造成一 些不必要浪费。随着化工设备向着大型化、复杂化、高参数化方向发展，作为压力 容器零部件设计的常规设计方法受到了冲击，受压零部件的设计越来越多地利用应 力分析来完成。有效地利用州s y s 进行有限元辅助分析设计，为化工机械设计提供 了强有力的技术保证。 本课题分析的高效换热器设计压力达5 0 m p a ，属中压，设计最高温度达2 2 0 。 由于管程、壳程温差很大，由温差引起的热应力不允忽视，因此该换热器设计超出 了g b l 5 1 的范畴。厂家在选取管板厚度时觉得无据可循，在充分考虑了压力载荷、 热应力的影响，参照g b l 5 1 以及凭借以往的经验，选取管板厚度7 4 r a m 。课题分析 的主要目的是对设计的安全性提供依据，同时为以后类似换热器设计积累经验。 1 4 研究的内容与目标 随着设备的大型化及操作的高参数化，不断出现超标的换热设备。目前，对于这 些设备，可参照j b 4 7 3 2 1 9 9 5 利用有限元法进行分析计算并评定。由于本换热器管 内流体与壳程流体存在温差，因此换热器中必存在温差应力，这种温差应力将与管 壳程流体压力造成的机械应力叠加。当应力较高时则会在换热器的不同部位造成不 6 ， 南京理t 大学硕士学位论文 管壳式换热器管扳麻力的三维肓限无分析 同形式的失效，如壳体强度或稳定性破坏、管子的强度或稳定性破坏、管子与管板 之间拉脱、管板与壳体连接部位的破坏、管板强度破坏等。因此换热器应力分析应 包括不同危险工况并对不同部位进行分析与评定才能保证其安全可靠地运行【i 】。 本课题采用大型通用有限元软件a n s y s ，对通过有限元计算得到的应力按分析 设计标准进行分类，评估其中各种工况下机械载荷应力与由于温差引起的热应力对 整个设备的影响，对种种应力进行计算，找出危险工况。本课题对管板、壳体、换 热管全部建立三维有限元实体模型，同时施加氆片比压及螺栓预紧力，更真实地模 拟兼作法兰管板的结构。 分析研究的主要内容有： ( 1 ) 建立精确的三维有限元模型； ( 2 ) 得出管板的温度场分布，并对温度分布特点进行分析； ( 3 ) 对温度载荷下换热器和管扳的有限元模型做应力分析； ( 4 ) 对各种工况机械载荷下换热器和管板的有限元模型做应力分析； ( 5 ) 对温度载荷与机械载荷祸合情况下换热器和管板的有限元模型做应力分析； ( 6 ) 依据j b 4 7 3 2 - 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准对换热器安全性进 行安全性评定和设备的安全性分析； ( 7 ) 基于有限元分析对换热器设计进行优化与改进。 7 南京理t 大学硕i - 学位论文 管壳式换执器管扳戍力的三维有限元分析 2 换热器管板的有限元模型 换热器中，管板是用来固定管束，连接壳体和端盖的一个圆形厚平板。它是换 热器的一个主要部件，受力情况较复杂。管壳式换热器中，管板与壳体用不可拆连 接( 焊接) ，且较多情况下，管扳兼作法兰。本课题主要对兼作法兰管板的应力分析。 2 1 换热器几何尺寸及主要工艺参数 2 i 1 换热器的主要几何尺寸 模型的主要几何尺寸见表2 1 1 表2 1 1 模型的主要几何结构尺寸 模璎部位符号尺寸( 姗) 管板厚度h7 4 管板外半径r l3 4 7 5 螺栓圆直径r 23 2 0 壳体内径 r 2 5 0 壳体厚度t i 8 换热管外半径凡1 6 换热管厚度t 2 3 5 该换热器外形结构如图2 1 1 所示。 导热油出口 图2 1 1 换热器外形结构 料口 2 1 2 换热器的主要工艺参数 换热器的主要工艺参数由客户提供，具体见表2 1 2 表2 1 2 换热器工艺参数表 l 南京理工大学硕十学位论文 管壳式换热器管板戍力的三维有限元分析 设计温度 2 2 0 2 2 0 工作温度( 进出)2 0 1 5 0 2 2 0 1 0 0 设计压力 o 8 p a 5 0 p a 管板应力计算载荷如图2 1 2 所示，图中f 为螺栓预紧力，p c 为垫片比压力，p 。 为管程流体压力，t 。为管程流体温度，p 为壳程流体压力，t 。为壳程流体温度。不难 看出，管程进口端管板比出口端管板要危险，因此我们只需对管程流体进口端管板、 壳体、管束进行分析。 _ f j f ff llll 图2 1 2 管板应力计算载荷示意图 2 2 换热器所用的材料特性 分析中采用的有关部件的材料物性数据由设计方提供，详见表2 2 1 。 表2 2 1 材料的物性数据嘲 材料部位 管板本体壳程筒体换热管 材料牌号 0 c r l 8 n i l 0 t i q 2 3 5 - h 0 c r l 8 n i 9 2 0 杨氏弹性模量，m p a1 9 3 0 0 0 2 0 1 0 0 01 9 0 0 0 0 操作温度下的杨氏弹性1 7 8 e 52 o l e 51 7 9 e 5 模最，m p a 2 0 泊松比0 30 3o 3 操作温度下的泊松比 o 3o 3o 3 2 0 屈服极限，y p a 2 0 52 3 5 2 5 4 2 0 强度极限，m p a 5 2 04 0 0 5 2 0 9 南京理工大学硕十学位论文 管壳式换喜i 嚣管板戍力的三绛有限元分析 设计应力强度，m p a 1 2 71 0 0 61 2 7 操作温度屈服极限，m p a1 4 01 7 01 7 5 操作温度强度极限，m p a4 8 63 6 24 8 6 操作温度应力强度，m p a 1 2 71 1 3 1 2 7 导热系数，w m 1 6 1 1 8 04 8 2 6 1 11 3 8 1 6 2 ( 2 0 2 2 0 ) 线膨胀系数m m 1 6 6 e - 61 2 5 5 e - 61 6 2 e - 6 2 3 有限元数值分析方法及a n s y s 通用有限元软件简介 2 3 1 有限元数值分析方法 固体力学的有限元分析方法是力学、计算数学及计算机等学科综合体系所提供 的结构应力分析方法。它以最小势能原理为基础，把连续弹性体分割成仅在有限个 节点处相连的有限个单元，并以此来代替原来的连续弹性体，然后建立单元组合体 的支配方程( 即位移法的节点平衡方程或力法的位移协调方程) ，并求解【4 】。 在压力容器分析中，若需要对容器进行全面的强度校核或判定其结构是否合理 时，需要知道结构中各部位的详细应力情况，对于一些载荷复杂的设备，常规方法 是难以准确计算其应力的，这就需要用有限元法来进行应力分析计算。可以说随着 计算机技术的发展，有限元方法已经成为从事压力容器研究、设计及安全判定的工 程技术人员进行强度计算的重要方法之一。 近三十年来有限单元法的理论和应用都得到迅速的、持续不断的发展。已经由弹 性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动 力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固 体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。 有限元作为一种数值分析方法，为复杂形状的结构分析及过程分析提供了一种精 确可靠的手段，在当今各个设计、生产、制造等不同工程应用领域中广泛使用，在 工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并成为计算辅助工程的一个重 要部分。 2 3 2a d 、i s y s 有限元软件简介 a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部设在美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界 c a e 行业中最大的公司。其创始人j o h ms w a n s o n 博士为匹兹堡大学力学系教授、有 限元界权威。经过多年的发展，a n s y s 软件逐渐为全球工业界所广泛接受。其用户涵 盖了机械、航空航天、能源、交通、土木、国防军工等众多领域。a n s y s 构成了这些 领域国际国内分析设计技术交流的主要分析平台。a i n s y s 独具特色的多物理场耦合分 l o 南京理t 大学硕十学位论文 管壳式换执器管板戍力的二三维有限元分析 析技术和涵盖优化设计、随机有限元分析等在内的一体化的处理技术充分体现了c a e 领域的最新发展成就。 在压力容器行业，a n s y s 占据了国内9 5 以上的市场份额，成为压力容器分析设 计的事实上的标准。尤其是在1 9 9 5 年，全国锅炉压力容器标准化技术委员会发布了 j b 4 7 3 2 钢制压力容器分析标准后，有限元的应用更是上了一个台阶。该软件成 为第一个通过中国压力容器杯准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用 的分析软件。 2 4 有限元单元选择 2 4 1 换热器单元结构模型的选择 由于现有的计算条件的限限制，为了简化计算，简化时考虑到以下几点因素： ( 1 ) 建立模型时只考虑管板、壳体和管束部分，法兰整片用等效的均布比压来代 替。 ( 2 ) 由于管壳式换热器结构左右前后对称，所以分析模型只需取该结构的四分之 一。其分隔界线如图2 4 1 所示。 水平分界线 图2 4 1 取结构四分之一建模时的分界线图 ( 3 ) 管子沿管板厚度用胀接加焊接连接在管扳上，建模时可以认为管子与管板 已达一体化程度( 材料可以不同) ，单元是相互连接的，不考虑接触关系。为了建模 和求解的方便，忽略管子在管程侧的外伸长度；在壳程侧，保留有限长度的外伸管 子和壳体。根据边缘效应的影响长度公式：2 5 m 管子须保留的外伸长度为a l 1 9 r a m ，壳体须保留的外伸长度为21 1 4 t m n 。对 于该模型，取管子在壳程相对于管板的外伸长度为7 6 r a i n ，壳体相对于管板2 0 0 m m 的 外伸长度，如图2 4 2 所示。 南京理t 大学硕士学位论文 管壳式换热器管扳戍力的三维有限庀分析 图2 4 2 管子和壳体外伸尺寸示意图 为了更真实地模拟管板及相连部件的应力状态，壳体、管板、管束全部采用实 体单元。结构分析采用的是8 节点六面体单元s o l i d 4 5 ；传热分析采用的单元是与 s o l i d 4 5 对应的热分析单元s o l i d 7 0 。 2 4 2s o u d 4 5 三维实体单元 s o l i d 4 5 用于仿真3 d 实体结构。单元由8 点组合而成，每个节点具x ，y ，z 位 移方向3 个自由度。单元具有塑性、潜变、膨胀、应力强化、大变形和大应变等特 性。单元结构如图2 4 3 所示。 h k 覃二 z 拶 图2 4 3s o l i d 4 5 单元结构 单元需要定义的主要材料常数有弹性模量( e x ，e y ，e z ) 、泊松比( n u x y ，n u y z ， n u x z ) 和密度( d e n s ) 等；输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、主应 力、主应变以及相应的单元导出解。 s o l i d 7 0 是与s o l i d 4 5 对应的热分析单元。在专门的热分析中用来代替s o l i d 4 5 单元。s o l i d 7 0 具有3 一d 热传导的能力，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热流，输出可以是该节点 的温度。将此单元分析的温度场结果，可以以温度载荷的形式施加在s o l i d 4 5 单元 匕。 1 2 南京理丁大学硕十学位论文管壳式换执器管扳戍力的三维肓嚷元分析 s o l i d t o 单元的具体形状和坐标以及退化单元与s o l i d 4 5 单元完全相同。1 。 2 5 换热器有限元模型的建立 管板模型建立的难点在于管板布管区和1 1 7 根管子的实体单元以及带孔管板实 体单元的合理划分，以及管子与管板连接的实现。 管板是通过建立管扳面，进行拖拉实现模型建立的。管扳面又分为靠管区、不布 管区、密封挚片区及螺栓圆区。在布管区，管子是正三角形分布的，有一定的规律 性，直接利用a n s y s 建模。 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工 作量较大，所划分析网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。因此对本题 中的复杂结构，划分网格时主要考虑以下问题【3 l 。 ( 1 ) 网格数量 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量 增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应 权衡两个因素综合考虑。因为管子数目较多，所以管子和布管区管板上单元的划分 份数将成为模型总数的控制因素。经过多次划分，采用体边长6 m m 时，主体管板划 为1 3 层，换热管模截面划分成2 0 份，壳程实体分两层，划分总单元数达近2 万。 此时可以获得工程上可以接受的计算精度，同时计算机计算能力也在承受范围之内。 ( 2 ) 网格质量 网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网 格甚至会中止计算。划分网格时一股要求网格质量能达到某些指标要求。在点研究 的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使个别质量很差的网格也会引起很大 的局部误差。当模型中存在质量很差的网格( 称为畸形网格) 时，计算过程将无法 进行。图2 5 1 是三种常见的畸形网格，其中a 单元的节点交叉编号，b 单元的内角 大于1 8 0 。，c 单元的两对节点重合，网格面积为零。本题中在换热管与管板的结合 点、壳体与管板的连接处均有可能产生上述畸形网格单元，尝试了许多次的网格划 分方案，均因网格质量差而计算终止。最后对管板采用扫描划分，管扳面为母面， 然后沿管板轴向对管子和管板拖拉实现管板的网格划分，划分后的单元具有规则形 状，是明显成排的单元，达到了所需的网格质量要求。 1 3 南京理丁大学硕十学位论变 管壳式换热器管扳虑力的兰维有限元分析 ：x 侈亭 2 “) 回团 ! i ! i l 圈锄 图2 5 2 网格分界面和分界点 本例中网格划分尝试了各种方式和方法，最终管板网格划分采用扫描剖分，扫描 剖分后的单元具有规则形状，是明显成排的单元，这对载荷的施加和收敛控制是有 利的。整体和局部几何有限元模型见图2 5 3 ，2 5 4 所示。 1 4 糍一 2 5 4 管扳面有限元模型 2 6 载荷及边界条件 2 6 1 有限元分析中的载荷考虑 在有限元分析过程中，与其它单个分析因素相比，选择合适的载荷对分析结果 影响更大。另外，将载荷添加到模型上要比确定是什么载荷要简单的多。所以载荷 1 5 南京理工大学硕卜学位论文 管壳式换执器管板应力的三维肯限厄分忻 类型的确定相当重要。载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用。可以分成以下 几类：自由度约束、集中载荷、面载荷、体载荷及惯性载荷。 自由度约束就是给某个自由度指定一己知数值( 该值不一定是零) 。如结构分析 中的固定位移( 零或者非零值) 。大多数自由度约束用作：对称性边界条件及指定刚 体位移、热分析中的指定温度等。集中载荷就是作用在模型的一个点上的载倚，象 结构分析中的力和弯矩、热分析中热流率。面载荷就是作用在单元表面上的分布载 荷，如结构分析中的压力、热分析中的对流和热流密度。体载荷是分布于整个体内 或场内的载荷，象结构分析中的温度载荷、热分析中生热率、电磁场分析中电流密 度等。 添加载荷应遵循的原则：简化假定越少越好；加载时，必须十分清楚各个 载荷的施加对象；除了对称边界外，实际上不存在真正的刚性边界；不要忘记 泊松效应；轴对称模型具有一些独一无二的边界特性1 3 1 。 2 6 2 管板载荷及边界条件 分析中根据设备实际操作时的情况，共考虑了以下几种不同的载荷，分别是： ( 1 ) 温度载荷，热分析为热传导分析。根据工艺计算，管程进口端温度为2 2 0 。壳程金属壁温1 5 0 ；由于壳程内管子较短( 8 0 r a m ) ，近似认为其外表面温度均 为1 5 0 。换热管总长1 5 0 r a m ，整台设备总长达1 5 0 0 r a m ，忽略换热管内管壁在1 5 0 m m 长度上的变化，认为内管壁温度均为2 2 0 c 。其余部分均为绝热。具体见图2 6 1 ， 温度载荷的施加形式。 导熟油口 所有模型井裹面莨为绝热 图2 6 i 温度载荷的施加形式 ( 2 ) 内压载荷，管程设计压力5 0 m p a ；壳程设计压力o 8 m p a 。 在分析中，每种载荷均作为一个独立的载荷工况来施加，实际换热器工作过程 1 6 南京理t 大学硕十学位论文 管壳式换执嚣管扳虑力的三缍有限元分析 中，将是受到多种载荷工况。如：管程先开的瞬间只有管程压力、壳程先开的瞬间 只有壳程压力、平稳工作情况下有壳程也有管程压力和温度、停车时只有壳程压力 和温度以及其中一种或多种组合。不同的工况施加的载荷是不一样的。有限元计算 模型的选取及其相应的载荷详见第四章。 ( 3 ) 边界条件 所有载荷工况的约束都是：管壳式换热器的对称面上施加对称位移约束，换热 管一端约束，一端连接在管板上，即约束换热管一端的轴向位移，在预紧面上加上 螺栓预紧力8 3 5 7 k n ，密封面上加上法兰垫片比压力1 5 m p a 。 1 7 南京理丁大学硕十学位论文管壳式换执器管板戍力的三维肯限，亡分析 3 换热器管板稳态温度场分析和热应力计算 由于所要分析的换热器足在温度、压力较高的工况下工作，管程和壳程的流体 存在着较大的温度差，温度差产生的热应力不容忽视，且不能按照国家标准中那样 做过多的简化。因此有必要比较精确地得出温度场分布规律及计算出由此产生的温 差应力。 3 1 热应力基础理论 热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或 损失、热梯度、热流密度( 热通量) 等。 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各节点的温度，并导出其 它物理参数。热分析遵循热力学第一定律【2 】，即能量守恒定律： 对于一个封闭的系统( 没有质量的流入或流出) q 一= u + 咒e + 船 式中：q 热量； w 作功； u 系统内能： 拭g 系统功能； 般g 系统势能； 对于大多数工程传热问题：刖匝= 尸：f = 0 通常考虑没有做功：形= o ，则? 口= a u ； 对于稳态热分析：q = a u = 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； 对于瞬态热分析：口：d _ u ，即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的 a l 变化。 3 2 热分析方式的确定 热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式【3 1 。此外，还可以分析相交、 有内热源、接触热阻等问题。 热传导足通过物质中分子的振动将能量传递给相邻的分子来进行热量的传递。在