经典图书 是石油、化工、动力、钢铁、食品、发电及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。管板是管壳式换热器最重要也是最复杂和造价最高的零部件之一。它是用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免冷、热流体混合，并同时受管程、壳程压力和温度作用的部件。管壳式换热器在工程实际中被广泛应用，大量文献报道，管板在工程应用中是易发生事故的部件。管板的合理设计对于正确选用和节约材料、减少加工制造的困难、降低成本和确保安全使用都具有重要意义。
在换热器的有关国家标准中，管板设计的传统方法一般是先选择一种型式，得出管板的计算厚度，再加上厚度附加量，向上圆整得出管板的名义厚度，最终确定管板的尺寸。然而，传统方法对换热器管板所受应力情况的分析，误差太大。本文从有限元角度出发，运用SimulationWorks有限元分析模块和SolidWorks三维建模软件相结合的方法可以较为准确地分析计算U管式换热器管板的温度场和应力场。
SimulationWorks是SolidWorks软件的一个分析模块，是强大的有限元分析软件。SimulationWorks能对用SolidWorks建立的实体模型进行应力与变形、热力、振动频率、电磁性能、流体、动力等多项工程分析，进行优化设计和非线性分析，缩短设计所需的时间，提高设计质量和降低成本。
SimulationWorks完全集成于SolidWorks中，为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段。模型和分析的结果在SolidWorks中共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关。在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小，是目前广为应用的快速有限元软件。
2 基木分析过程
2.1 管板的设计条件
本文选用一种U型管式换热器的管板为研究对象，设计条件见表1。
表1 设计条件
(1)建立有限元模型：确定研究名称、分析类型和网格类型。分析类型有静态(线性)、频率、扭曲、热力、优化、非线性等。分析类型，对换热器来说，变形较小，符合静态研究的假设条件。网格类型有实体网格和曲面网格，曲面网格适用于大型薄壳模型。
(2)实体材质应用：材质应用来源有SolidWorks材质、自定义、Center库和自库文件4中方式。当选择自定义材质时，可以自行确定相关参数。
(3)定义载荷与约束条件：载荷与约束条件的定义与研究类型相关，如热力研究的载荷与约束包括温度、对流、热流量热量和辐射，根据模型具体工作条件可以定义一种类型和多个类型的载荷联合作用。
(4)有限元网格的生成：网格生成过程包括三个过程——评估几何条件、处理边界和网格生成。SimulationWork网格的划分很智能化如果几何条件检验和边界处理不能满足条件，系统会给出错误原因；如果网格划分失败，会自动调整网格大小进行二次划分。
(5)求解：在求解前先要确定求解参数，也就是研究对象的属性参数，然后进行求解运算。
分页2.3 应用实例
现对U型管式换热器的管板进行三维建模和分析计算，该换热器的管板外径为871mm，厚度为120mm，换热管规格为功φ19x2mm2。管板的材料为0Cr18Ni1OTi锻件，换热管的材料为0Cr18Ni1OTi高合金钢钢管。0Cr18Ni1OTi操作温度下的弹性模量E=1.83x1011Pa，泊松比为0.3，管程对流传热系数α内=968.9W/(m2·℃)，壳程对流传热系数α外=I 602W/(m2·℃)。
应用SolidWorks软件进行建模：因该管板是具有2个对称平面(分程隔板平面和沿轴向与分程隔板垂直的平而)是实体结构，建模只需建立1/4管板结构的实体模型。
使用草图绘制命令，绘制旋转造型用的草图，用“旋转凸台/基体”命令，设置旋转角度为90°，完成管板的三维建模。在管板面上建立管孔的草图，使用“拉伸切除”命令，生成管孔。再建立换热管的草图，使用“拉伸凸台/基体”命令，生成换热管组件。这样，管板的三维模型建立完成了。
2.4 进行有限元分析
2.4.1 单元描述
为了保证管板的计算精度，网格单元体类型定义为抛物线四面实体单元。抛物线单元也称作二阶或高阶单元，由四个边角节、六个中侧节和六条边线来定义。图1所不为抛物线四面实体单元的图解工程图。
图1 抛物线实体单元
一般而言，单元数相同时，能更精确地表现曲线边界，可以生成更精确的数学近似结果。
按照前述方法进行分析参数设置：建立热力和静态研究，网格为实体网格；材质参数根据JB4732-95自定义；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，忽略污垢热阻，压力载荷在静态研究中定义，考虑管板压力作用，即管程为15.2MPa，壳程压力为17.2MPa，约束——两个对称面施加对称约束，换热管端面施加径向约束；网格生成：网格类型为实体羊兀网格，由于系统具备对局部几何形状变化较大的地方进行网格细化的功能，故采用系统白动加密网格化参数，认为可满足设计要求。节点总数135888个，单元总数73574个，划分网格后的管板模型如图2所示。
图2 管板的网格划分
图3 管板的温度场分布
分页2.4.3 热力分析
参数定义好后，对管程施加管程对流传热系数，对壳程施加壳程对流传热系数，进行热力分析计算，温度场分布云图如图3所示。
管板的大部分厚度上温度接近流人或流出管板处换热管的管程流体温度，只在靠近壳程流体一侧很薄的区域内管板温度接近壳程流体温度。美国ASME规范中，认为管板开孔区中只有在靠近管板表面的一层很薄的金属中存在较大的温度梯度(称为“表皮效应”)。本文应用SimulationWork，分析了管板的温度场，使“表皮效应”在温度分布云图上显而易见。
2.4.4 应力分析
应用SimulationWorks进行应力分析，运行结果可以直观地输出应力、应变、位移云图及变形图，根据JB4732-95分析设计标准，应力强度系组合应力基于第二强度理论的当量应力，在SimulationWorks的分析结果中为应力强度数值。从图4可得出结论：在给定条件下，管板上应力最大值出现在外边缘上，大小为120.6MPa，小于材料的屈服极限205MPa，是安全的。同时，其范围较小，充分体现了边缘处会产生应力集中。应力最小值出现在管板中心处，大小为0.3996MPa，安全性高，材料富裕度较大。按照材料的屈服应力205MPa计算，则该管板的平均安全系数约为3.39，超过了传统理论一般所取的≥1.6的屈服点安全系数。
图4 管板的应力分布
3 结束语
本文应用SimulationWorks仿真模块和SolidWorks维建模软件相结合的方法，对U型管式换热器管板的温度场和应力场进行了分析。实例分析表明，运用本文所提出的分析方法可较为方便地实现U型管式换热器管板的应力分析，分析结果反映出最大应力值及应力分布情况与理论分析一致。本文将为换热器管板的结构设计提供一定的依据和参考。 | 
发表于 2013-11-11 08:38:22
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