特殊板壳式换热器封板的有限元模拟及强度研究

　　对于板壳式换热器中的特殊开口封板,利用APDL语言(ANSYSparametricdesignlanguage)实现全参数化驱动的三维有限元模型,通过三维有限元模拟,并对关键区域作路径分析,获得封板的应力分布规律.实验结果验证了数值模拟的有效性.经过分析,归纳出封板中的应力影响因素,提出工程关联式模型.以不开口区环板上的大综合应力为研究对象,对封板进行参数化数值分析,并对数值模拟结果进行数据处理与拟合,得到封板强度计算工程算式.拟合公式所得数据与原模拟数据相比,平均误差为0·238MPa,平均相对误差为1·8%,这对于工程应用已经足够精确,可为新产品的工程应用提供参考.

　　关键词:板壳式换热器;封板;有限元模拟;强度

　　中图分类号:TQ051·5　文献标识码:A　文章编号:1006-754X(2008)04-0295-05

　　针对实际生产中众多设备的腐蚀失效,作者研发了导热复合材料紧凑型板壳式换热器[1],其中封板采用“薄管板”的贴面式结构[2],是连接壳体、芯体和封头,并承受压力和热膨胀以及来自此三部件载荷的主要部件.与管壳式换热器的管板所处的位置和作用相似,封板是板壳式换热器中举足轻重的关键元件,但有着与管板开孔形式迥然不同的开口方式(如图1所示),其与强度计算有关的问题虽然可以参考管板的解决思路,但毕竟是一个全新的课题.为了开拓其应用范围,保证设备安全运行,需要对封板进行深入的研究[3].

　　用解析法求解封板的应力是非常繁琐的,难以提出一个普遍适用的公式用以计算各种情况下的危险应力[4].通过建立与实际设备相似的模型,无疑会大大提高计算结果的正确度[5].应用计算机辅助设计技术、三维有限元结构分析技术和三维温度场分析技术进行封板结构力学分析[5-7],也是换热器分析与设计的总的发展趋势.本文利用参数化三维有限元模拟整个封板连接系统,获得封板强度设计的工程关联式,为新型换热器设计提供理论和工程应用的依据.

　　1　封板的三维有限元分析

　　根据换热器和封板几何结构的特点,采用实体单元和壳单元相结合模拟,封板和板束材料为短切碳纤维增强聚四氟乙烯复合材料,研究表明可视为各向同性的弹性材料[1],模型的建立以及分析过程采用APDL语言实现完全参数化驱动.

　　1.1　温度场分析

　　封板上下表面分别为板程和壳程温度,存在温差,加之复合材料本身导热性不良,需要考察其温度应力的分布情况.本文分析重点在于换热器稳定工作情况下封板的温度分布情况,因此采用稳态热分析数学模型.

　　图2为封板连接系统的温度场.其温度载荷在计算后存储于相应的RTH文件中,结构分析时直接读入即可.

　　在封板中心芯体连接区,靠近低温侧管板出现了较大的温度梯度,这里结构尺寸变化大,热应力的影响可能比较大.取封板中心区厚度路径上的温度分布如图3所示,不存在温度急剧变化的区域.可以预测,不会产生较大的热应力.

　　1.2　应力场分析

　　主要考虑封板的应力分布规律,忽略封头等,考虑到结构和载荷的对称性,沿换热器的纵向对称面切开取其四分之一作为分析模型体.结构纵向对称面约束了法向位移,壳程筒体横截面约束了轴向位移.封板两侧分别施加板程和壳程压力.网格剖分如图4所示.

　　为使封板与隔板的胶结接头不致承受大的剥离应力,换热器开启时要求先开板程,封板强度按只承受板程的设计压力来进行设计计算.应力强度云图如图5所示,可见封板上大应力强度可能发生在板束外缘处,为此设定四条路径来分析封板的应力.四条路径上的应力分布见图6和图7.

　　可见,在机械载荷作用下,封板的应力云图出现有规律的变化.封板径向(路径1和路径2)上,开口区应力由中心向边缘缓慢地逐渐增大,不开口区应力有波动,并存在较大的应力;在封板与壳程筒体相连接的地方出现了较大的应力集中,这与经典理论相符.

　　在路径1和路径2中不开口区显示的应力大值处的周向上(路径3和路径4),也存在较大应力区,位于开口区的拐角处,这是应力集中与无板束支承双重原因造成的.通过路经分析,了解了封板的整体应力分布情况,其中路径4上既避开了明显的应力集中,又存在大应力,后续的分析均以此为研究对象.

　　1.3　实验研究

　　作者设计了一台试验装置,模拟封板受力系统;采用电阻应变测试技术获得应力分布规律;通过对比及分析实验结果,验证有限元数值模拟计算的有效性,同样参数下路径1和路径2上模拟值与实验值的对比如图8和9所示.

　　可见,实验结果与模拟结果总体上吻合很好,趋势基本一致.平行于开口的半径(路径2)上,在开口区与不开口区结合处产生大值,但实验值与模拟值的极值点不重合.一方面由于测点不够细密,再者模型制造的焊接应力集中也是导致结果不完全一致的原因.

　　2　封板强度参数化数值分析

　　封板厚度是按我国“薄管板”的标准厚度序列取值的,有限元分析结果如表1.在芯体直径500mm的情况下,封板厚度为10mm时应力值较小.

　　筒体厚度对封板强度的影响如表2所示,较大的筒体壁厚和较小的筒体壁厚,都可以减小封板中的应力,这可能是因为较小的壁厚容易变形可释放一部分应力,而较大的壁厚则承载能力较强,但总的影响不甚明显.

　　筒体内径对封板强度的影响如表3所示,这个参数对封板的应力影响非常显著,封板中的应力随着筒体内径与开口区直径比的增大而明显增大.

　　开口比指开口宽度a与韧带宽度b的比值,这个值间接地反映了板程和壳程翅片的高度及翅片和隔板的厚度对封板强度的影响,如表4所示.该参数对封板应力的影响并不显著,但有一个现象值得注意,开口比为2时,应力值,这是因为韧带相对较窄的情况下,较大的变形削弱了封板中的应力,这个取值是否合理需要进一步探讨.

　　隔板厚度对封板应力的影响见表5,强度计算时翅片厚度的影响可以折算到隔板厚度中统一考虑.表中应力数值的变化非常微小,说明板束形成的弹性基础基本上是稳定的.为了简化封板强度计算公式,板束的影响可以在系数中体现,而不必作为参数.

　　3　封板强度的计算关联式

　　封板中大应力的影响因子可确定为表6所示.

　　式中P表示设计载荷.拟合公式所得数据与原模拟数据相对照,平均误差为0·238MPa,平均相对误差为1·8%,这对于工程应用已经足够精确.

　　4　结　论

　　由于封板的开口区不同于常规的管板,不能按常规的方法(将管板看成具有等效弹性常数的当量实心均质圆板)分析,本文利用参数化三维有限元模拟整个封板连接系统,主要结论如下:

　　(1)通过三维有限元计算,并对特定部位作路径分析,得出了封板连接系统的温度场分布情况.封板采用“薄管板”模式,不致产生过大温差应力.同时,封板只在开口区的中心部位产生较大的温差应力.

　　(2)通过三维有限元计算,并对关键区域作路径分析,获得了封板的应力分布规律.实验数据与模拟数据吻合较好.

　　(3)以不开口区环板上的大综合应力为研究对象,对封板进行参数化数值分析.对数值模拟结果进行数据拟合,得到封板应力计算关联式,拟合公式所得数据与原模拟数据相比,平均误差为0·238MPa,平均相对误差为1·8%,这对于工程应用已经足够精确.