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预应力换热器的预应力仿真分析计算方法

点击:820 日期:[ 2014-04-26 22:21:37 ]
                         预应力换热器的预应力仿真分析计算方法                                 王维慧  兰芳  胡光忠                  (四川理工学院机械与电子工程系,四川自贡643000)     摘要:在预应力换热器的制造中,预应力的确定是关键技术之一。结合目前的制造方法,提出了预应力换热器制造新方法,并基于COMOSWORKS有限元分析模块,给出了预应力仿真分析方法。详细分析了预应力换热器工作原理和仿真分析的可行性以及具体应用实例。     关键词:预应力换热器;应力分析;制造方法;COMOSWORKS     中图分类号:TP391.72 文献标识码:A 文章编号:1001—4837(2007)05—0013—04     预应力管壳式换热器是对传统换热器产品进行新技术改造,提高产品可靠性、降低事故发生率的新型传热设备 I2 J。以管壳式换热器中应用最广泛的固定管板换热器为例,预应力形式与常规形式相比,具有以下优点:(1)降低了温差应力,对于降低管子与管板连接区的峰值应力,防止破裂、疲劳起到很大的作用;(2)由于预应力换热器工作时约束缓解,管板与管子连接区的局部应力和总体应力均降低,大大减少了高事故率的管板与管子结合区的破坏现象,提高了运行的安全可靠性;(3)减小了主体构件如管板、壳体的厚度(这对于采用昂贵材料制造的换热器具有很大的意义)。但是如何施加预应力和确定预应力大小有待进一步研究的问题。本文针对机械加载方法,提出了用计算机有限元分析技术计算预应力大小的处理方法。     1 预应力换热器原理及制造方法     根据预应力理论,通常构件在工作时会产生一定的内应力,如果在制造过程中人为地预先施加一个与内应力等值的反向应力,那么这种具有预应力的构件就能实现零应力或微应力的工作状态,从而大幅度提高构件的承载能力 ]。预应力换热器就是在制造过程中设法预加反向应力,使换热器工作时由温差和压差所引起的内应力得到有效消除,从而改善换热器的工作条件,提高换热器的使用寿命及可靠性。     在将预应力技术应用于管壳式换热器制造方面,目前主要有两大方法:一是模拟工况法,以制造技术专利 ]为代表,该专利采用预留一条环焊缝的方式,通过在管内通人传热介质形成温差的方法造成管子产生预变形,并进行焊接施工,保留预变形。这种方法的局限性在于:(1)整个制造设备成本高,很不经济,能提供的工艺条件有限;(2)只能在换热管内外产生一个温度差,没有考虑压差和材料的膨胀系数不同而产生的膨胀差,同时无法准确计算评价由此产生的预应力 效果,也无法进行相应的预应力设计预测,只能做事后的测量,因而随意性很大。     二是机械加载方法,该方法 ]是将管板和换热管其中之一或二者同时在预变形之后(管板弯曲变形)和其余组件通过焊接连接起来,其制造方法是对管板采用机械或液压方式以及对换热管采用电加热方式加载。该方法的不足在于变形量的计算和控制较为困难。     综合两种方法,本文提出一种新的机械加载法,换热器管壳程由于温差和压差所产生的变形不协调而出现内应力,可以对管束组焊好后,壳体预留一条环焊缝,拉伸或压缩(根据温差和压差确定)管束(或者壳体),控制所加载荷,达到预定值后焊接环焊缝。但预应力的计算还没有较为精确的算法,随着计算机软硬件技术的发展,在微机上实现有限元的仿真分析成为可能 J。     2 仿真原理分析     为便于说明,针对管束施加预应力的机械制造方法进行模拟计算。这里有一个问题,按照制造方法,是先给管束加载F再进行组焊,相当于壳体加长,但按照这样的制造工艺过程进行仿真很难实现。简单的方法是按照无预应力换热器进行装配设计,给定工作参数,分析换热器的受力和变形,此时如果管束由于温度和压力的作用变形量大于壳体,即管束伸长量大于壳体而受压,壳体受拉,管板受力状况恶化。为了改善应力状况,在管程施加压力 ,使管束的伸长量与壳体一致,将由膨胀差引起的对管板的影响降到最小,那么 与F大小关系怎样?如果相等或差异很小,就可以用 代替F(方向相反)。下面就这个问题进行分析。如图1所示,按照预应力原理,将管束拉伸一个量,即壳体加长 ,按照弹性变形理论有:                                                                                          在Solidworks2(X)4中创建各零件的三维模型,主要零件有简体、封头、换热管、管板和折流板。因简体、封头和管板是全焊透连接。换热管与管板连接胀接加焊接,焊接结构按实际结构建模,胀接结合面定义接触类型为接合。创建三维装配模型时应按实际情况施加装配约束关系。为了提高运算效率,考虑换热管分布情况,运用对称结构方法取1/3换热器结构和1/2长度。分析参数设置:     (1)建立热力(Transfer—C)和静态研究(Trans.fer— stress),网格为实体网格。     (2)材质参数根据JB 4732一l995自定义。     (3)定义载荷和约束条件。按实际工况设置热力研究载荷— —对流传热,对介质温度作近似处理,即介质温度取平均温度,忽略污垢热阻。压力载荷在静态研究中定义,此时考虑管板正常工作状态,即管程压力为9 MPa,壳程为6 MPa。整个装配体的约束:两个轴向面位于平面内且距离为0,即只能在所在平面内平移;1/2中间截面位于平面内且距离为0,即只能在径向向外自由移动。这样的约束条件保证换热器在外载荷作用下变形与整个换热器的变形一致。     (4)网格生成。为了保证管板的计算精度,网格更细,对所有焊缝定义应用控制,网格类型为线性四面体标准网格,节点总数148446个,要素总数495142个。     以上参数定义后,先进行热力分析运算,在应力分析时,采用FFEPIus解算器,包含热力效果(间接偶合)。运行结果可以直观输出各种方向和类型的应变、应力、位移云图及变形图。没有预应力变形和应力分布如图4,5所示,加载预应力情况如图6,7所示。                       从变形云图可以明显看出没有预应力的变形大于有预应力变形,如图4与图6中的管板、壳体和换热管变形;从应力强度云图可以看出没有预应力的应力强度(图5)最大值447 MPa,位于壳体与管板连接的内表面,主要是管板的弯曲变形所致,有预应力的应力强度(图7)最大应力值292 MPa,位于封头与管板连接的内表面。从提取的换热管和管板的焊缝区应力强度看,图5中的应力强度(76 MPa)大于图7中的应力强度(24 MPa)。                                                          图5 没有预应力的应力强度图                                                         图6 有预应力变形图  100×                                                        图7 有预应力的应力强度图      通过直观地观察应变(应力)的变化或对提取管板上应力较恶劣的局部点(如换热管和管板的焊缝)的应变(应力)的比较,进行多次加载直至换热器受力状况达到最佳,即可得出预应力F。     4 结语     分析了预应力换热器原理,由于目前的制造技术的不足,提出了新的制造方法,并运用CO—MOSWORKS有限元仿真模块对固定管板式换热器的预应力分析进行了新的尝试。实例分析显示,运用本文所提出的分析方法可较为方便地求出固定管板式换热器预应力大小,并能综合考虑温差、压差、材质差异以及几何结构约束等因素对换热器工作带来的不利影响。分析结果与理论分析一致,分析过程直观、形象。
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