史冬巖，張 亮，張桐鳴，張 成，高旭文

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

艦用冷凝器原模型與畸變模型力學(xué)特性研究

史冬巖，張 亮，張桐鳴，張 成，高旭文

(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

針對非對稱布管冷凝器雙管板結(jié)構(gòu)研究較少的現(xiàn)象，介于實(shí)際模型試驗(yàn)時(shí)諸條件的限制，采用縮尺比模型試驗(yàn)時(shí)，因縮尺導(dǎo)致模型小特征難以加工和試驗(yàn)的情況，基于有限元數(shù)值仿真法研究冷凝器雙管板基準(zhǔn)模型、畸變模型與原模型的力學(xué)特性關(guān)系。研究表明，基準(zhǔn)模型能很好地預(yù)測原模型力學(xué)性能;畸變模型在一定的畸變尺寸下能較精確地預(yù)測原模型力學(xué)性能。

冷凝器;雙管板;原模型;基準(zhǔn)模型;畸變模型;有限元分析

0 引言

管殼式換熱器是在一個(gè)圓筒形殼體內(nèi)設(shè)置許多平行管子(稱為管束)，讓流體分別從管內(nèi)空間(稱為管程)和管外空間(稱為殼程)流過進(jìn)行熱量交換，在化工生產(chǎn)中，管殼式換熱器在所有的換熱設(shè)備中占主導(dǎo)地位［1］。管殼式換熱器易于制造，成本較低，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，選材范圍廣且可應(yīng)用于高溫高壓的工況條件下，是應(yīng)用最為廣泛的換熱設(shè)備，約占換熱設(shè)備總量的70%［2－3］。

管板是管殼式換熱器中最重要也是最復(fù)雜的承壓部件，通常開有大量規(guī)則分布的管孔，對整臺冷凝器的安全性和經(jīng)濟(jì)性有極其重要的影響［4］。以往對管板的研究以及各國的管板設(shè)計(jì)規(guī)范大多采用等效板理論［5］，而等效板法是基于彈性薄板理論，用于厚管板分析時(shí)可能存在較大偏差。由于管板的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以目前有關(guān)艦用冷凝器管板研究公開發(fā)表的文獻(xiàn)較少，已發(fā)表的文獻(xiàn)大多采用單管板的計(jì)算模型，且傳熱管束的布置具有軸對稱性［4］。

在現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展歷史中，模型試驗(yàn)的作用是不可磨滅的，在工程科學(xué)領(lǐng)域更是如此。但由于經(jīng)費(fèi)開支和環(huán)境保護(hù)約束等原因，不可能對實(shí)際模型進(jìn)行試驗(yàn)。目前，國內(nèi)外常利用縮尺比模型進(jìn)行試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)時(shí)并不能滿足完全相似定律，因此，研究原型與畸變模型之間的力學(xué)相似關(guān)系變得至關(guān)重要，也只有完全了解原型與畸變模型之間力學(xué)相似關(guān)系，才能將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際模型的研究中，實(shí)現(xiàn)用小模型預(yù)測實(shí)際模型的響應(yīng)特性［6］。

本文以某艦用非對稱布管冷凝器雙管板模型為例，利用有限元數(shù)值仿真法，研究冷凝器雙管板的力學(xué)特性，并對其進(jìn)行畸變縮尺，研究畸變模型的力學(xué)特性，對原模型與畸變模型之間的力學(xué)特性關(guān)系展開評估，旨在對冷凝器雙管板的強(qiáng)度特性研究及試驗(yàn)方面提供一些有意義的參考。

1 模型建立

1.1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)

一套完整的換熱器主要包括殼體(筒體)、管板、換熱管束、法蘭、前端管箱(又稱頂蓋或封頭)和后端結(jié)構(gòu)等部件組成［1］，典型的管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如1所示。由圖可知，管板連接著封頭、筒體及換熱管束，承受著來自3個(gè)部件的載荷以及管程壓力、殼程壓力，是管殼式換熱器中最重要也是最復(fù)雜的承壓部件。管板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算是否合理，關(guān)系到整臺冷凝器的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the sheet exchanger

1.2 冷凝器雙管板有限元模型

以某艦非對稱布管冷凝器雙管板模型為例，基于有限元數(shù)值仿真計(jì)算法考察冷凝器雙管板的力學(xué)特性，采用大型有限元前處理軟件HyperMesh分別建立冷凝器雙管板原模型有限元模型;基于原模型完全縮尺1/3倍后的基準(zhǔn)模型有限元模型;基于基準(zhǔn)模型，在不改變布管區(qū)域輪廓的前提下，相應(yīng)減少管板上管孔的數(shù)量，對管孔直徑及管子直徑進(jìn)行畸變(畸變系數(shù)λh分別為2，3，4)的畸變模型有限元模型。利用國際上通用大型非線性有限元軟件ABAQUS對建立的有限元模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析計(jì)算。由于冷凝器雙管板幾何模型及邊界條件均完全對稱，故可采用對稱邊界條件，取1/2模型為分析研究對象，分析研究中考察的對象主要為管板，故建模時(shí)可略去封頭，圖2所示為完成六面體網(wǎng)格劃分的冷凝器雙管板的有限元模型。

圖2 冷凝器雙管板的有限元模型Fig.2 The finite model of the double tube-sheet of the condenser

1.3 材料特性及邊界條件

當(dāng)換熱介質(zhì)無腐蝕或有輕微腐蝕時(shí)，一般采用低炭鋼或普通鋼板制造或鍛造管板;當(dāng)換熱介質(zhì)為腐蝕性介質(zhì)時(shí)，則采用耐腐蝕材料，如不銹鋼材料;當(dāng)管板很厚時(shí)，可采用復(fù)合管板，即以不銹鋼抵抗腐蝕，以炭鋼或普通鋼承受介質(zhì)的壓力;有時(shí)為適應(yīng)高溫高壓下的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的疊加，而采用薄管板，如橢圓管板和碟形管板等［7］。本研究采用的冷凝器材料參數(shù)如表1所示。

表1 冷凝器材料特性Tab.1 Material characteristics of the condenser

冷凝器工作時(shí)，不僅承受著管程壓力和殼程壓力，同時(shí)還承受著換熱管和殼體在操作條件下的熱膨脹差所產(chǎn)生的軸向力。此外，還有法蘭力矩等也間接影響著管板的應(yīng)力分布情況，所以管板受力情況最為復(fù)雜［1］。本研究主要考察冷凝器雙管板原模型與畸變模型之間的力學(xué)關(guān)系，不考慮溫度及法蘭力矩對管板的影響，冷凝器的載荷工況如表2所示，其邊界條件如圖3所示。

表2 冷凝器載荷工況Tab.2 Load working condition of the condenser

圖3 冷凝器邊界條件Fig.3 Boundary condition of condenser

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 路徑布置

管殼式換熱器被國家標(biāo)準(zhǔn)局劃歸為全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)后，根據(jù)規(guī)范JB4372中規(guī)定的應(yīng)力分析法標(biāo)準(zhǔn)，以往進(jìn)行單管板強(qiáng)度分析時(shí)，由于模型布管區(qū)具有對稱性，只需在模型上選取幾處典型路徑進(jìn)行強(qiáng)度分析［8］。本文所分析的冷凝器管板為雙管板結(jié)構(gòu)，且布管區(qū)不具有對稱性，因此在對管板進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力響應(yīng)云圖，分別在內(nèi)外管板上應(yīng)力響應(yīng)較大區(qū)域處選取若干條路徑進(jìn)行分析。圖4所示為根據(jù)冷凝器原模型內(nèi)外管板的應(yīng)力響應(yīng)所設(shè)的考核路徑。

圖4 管板考核路徑Fig.4 Check point of the plate

2.2 結(jié)果評估

按規(guī)范JB4732-95的規(guī)定，針對壓力容器按材料力學(xué)第三強(qiáng)度理論考核的標(biāo)準(zhǔn)，管板應(yīng)力強(qiáng)度即指Tresca應(yīng)力，則

式中:S12= σ1－ σ2;S23= σ2－ σ3;S31= σ3－ σ1;σ1，σ2，σ3為主應(yīng)力。

為對比分析冷凝器雙管板原模型、基準(zhǔn)模型及不同畸變模型的應(yīng)力及變形，需考察各個(gè)模型的內(nèi)外管板相同路徑處的Tresca應(yīng)力及管板的最大變形，限于篇幅，本文只給出原模型與畸變系數(shù)λh=3的畸變模型外管板的應(yīng)力云圖及變形云圖，如圖5所示。表3和表4分別給出了原模型與基準(zhǔn)模型的最大變形值和Tresca應(yīng)力值。根據(jù)完全相似關(guān)系，原模型與基準(zhǔn)模型的應(yīng)力關(guān)系為TY=TJ，則相對誤差ηT如式(2)，原模型與基準(zhǔn)模型的變形關(guān)系為UY=3UJ，則相對誤差ηU如式(3):

?

?

圖5 外管板應(yīng)力及變形云圖Fig.5 Nephogram of deformation and stress of the external plate

由表3和表4可知，基準(zhǔn)模型的應(yīng)力及變形響應(yīng)最大誤差不超過0.4%，能很好地與原模型吻合?；谠Ｐ屯耆s比后的基準(zhǔn)模型能很好地預(yù)測原模型的力學(xué)特性。

?

2.3 對比分析

由以上分析可知，基于原模型完全縮比后的基準(zhǔn)模型能很好地預(yù)測原模型的力學(xué)特性。但是，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，一些小的特征經(jīng)過縮尺后將變得難以加工，也難以進(jìn)行試驗(yàn)，例如冷凝器管板的管孔直徑和管子直徑，這時(shí)需擴(kuò)大這些小尺寸，將其變?yōu)榭s比后的多少倍，此時(shí)形成的新的模型稱為畸變模型。由于畸變模型與原模型并不滿足完全相似關(guān)系，故需通過曲線擬合來考察原模型與畸變模型的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而通過對畸變模型試驗(yàn)達(dá)到預(yù)測原模型性能的目的。表5所示為各個(gè)模型內(nèi)外管板相同路徑處的最大變形值，表6所示為各個(gè)模型內(nèi)外管板的應(yīng)力值。

以原模型為基礎(chǔ)，通過表5和表6可以得出各個(gè)畸變模型內(nèi)外管板應(yīng)力及變形關(guān)于原模型的平均預(yù)測系數(shù)如表7所示。圖6所示為預(yù)測的原模型與畸變模型管板應(yīng)力及變形的關(guān)系。

?

?

由圖6可知，相對于管板應(yīng)力分析，畸變尺寸在原模型尺寸附近時(shí)，所得的畸變模型的應(yīng)力值越趨于原模型應(yīng)力值，應(yīng)力預(yù)測的精度越高;畸變模型相對于管板變形分析，其最大變形的預(yù)測精度可以達(dá)到很高。

圖6 管板應(yīng)力及變形預(yù)測Fig.6 Estimated stress and deformation of plate

3 結(jié)語

本文以某艦用冷凝器雙管板結(jié)構(gòu)為研究對象，基于有限元數(shù)值仿真法，考察了冷凝器原模型與基準(zhǔn)模型、原模型與各個(gè)畸變模型管板力學(xué)特性的關(guān)系，并預(yù)測畸變模型與原模型管板力學(xué)特性關(guān)系，既可為冷凝器雙管板的強(qiáng)度特性研究提供一些有意義的參考依據(jù)，又可為冷凝器雙板試驗(yàn)研究提供參考。通過仿真分析，得到如下結(jié)論:

1)利用有限元數(shù)值仿真法可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)管板規(guī)范設(shè)計(jì)法中存在的不足，且通過有限元分析能很好地模擬非對稱布管方式管板的復(fù)雜承載情況，這是傳統(tǒng)方式不可解決的問題。

2)基于冷凝器原模型完全縮尺后的基準(zhǔn)模型，內(nèi)外管板的應(yīng)力及變形響應(yīng)符合完全相似關(guān)系，能很好地與原模型管板的應(yīng)力及變形相吻合，可較精確地預(yù)測原模型的力學(xué)特性。

3)相對于管板應(yīng)力分析，畸變尺寸在原模型尺寸附近時(shí)，所得的畸變模型的應(yīng)力值越趨于原模型應(yīng)力值，應(yīng)力預(yù)測的精度越高;畸變模型相對于管板變形分析，其最大變形的預(yù)測精度可以達(dá)到很高。

［1］劉天豐.非對稱管殼式換熱器結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)中的問題研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005.

LIU Tian-feng.Research on nonaxisymmetric tube and shell heat exchanger structure analysis and improvement［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2005.

［2］褚家瑞.當(dāng)代管殼式和板式設(shè)備的技術(shù)進(jìn)展［J］.石油化工設(shè)備，1992，2(3):3 －7.

ZHU Ja-rui.Technical progress of the modern tubular and plate equipment［J］.Petrochemical Equipment，1992，2(3):3 －7.

［3］曹緯.國外新型換熱器介紹［J］.化學(xué)工程，2000，28(6):50－56.

CAO Wei.Introduction on new types of overseas heat exchangers［J］Chemical Engineering，1992，2(3):3 －7.

［4］徐珊珊，張阿漫，謝金鑫，等.艦用冷凝器非對稱布管雙管板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估方法研究［J］.中國艦船研究，2009，4(5):38－44.

XU Shan-shan，ZHANG A-man，XIE Jin-xin，etal.Evaluation method for structural strength of asymmetric double tube sheet of marine condenser［J］.Chinese Journal of Ship Research，2009，4(5):38 －44.

［5］OSWEI F.管板設(shè)計(jì)中的有效彈性常數(shù)概念的進(jìn)展與綜合［J］.叢敬同，宋偉業(yè)，譯.化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1990，27(2):42－51.

OSWEI F.Progress and comprehensive of the Progress and comprehensive in the process of the plate design［J］.CONG Jing-tong，SONG Wei－ ye，translate.Chemical Engineering Equipment Design，1990，27(2):42 －51.

［6］謝建林.瞬態(tài)載荷作用下彈塑性結(jié)構(gòu)動(dòng)響應(yīng)相似性研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

XIE Jian-lin.Research on similarity ofthe dynamic response Elastic-plastic structure under the Transient load［D］.Herbin:Harbin Engineering University，2008.

［7］蘭州石油機(jī)械研究所.換熱器(上冊)［M］.北京:烴加工出版社，1986.

Lanzhou Petroleum Machinery Institute.Heat exchanger［M］.Berjing:hydrocarbon process press，1986.

［8］UKADGAONKER V G，KALE P A，AGNIHORTRIN A，et al.Review of analysis of tube sheets［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，1996，67(3):279 －297.

Research on mechanical characteristic of original-model and distorted-model on naval condenser

SHI Dong-yan，ZHANG Liang，ZHANG Tong-ming，ZHANG Cheng，GAO Xu-wen
(College of Mechanical and Electrical，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

To the situation that the research of structure of condenser with asymmetric layout tube is rarely，for the reason that there are many restricted condition in the experiment of the reality model，and the small feature of the size shrinkage ratio model is difficulty to made and experiment.Researching the mechanical characteristic relationship among the standard model，distorted model and original model based on the finite-element numerical simulation method.The result shows that，the mechanical character of the original model can be forecasted by the standard model accurately;the mechanical character of the original model can be forecasted by the distorted model in certain distorted size.

condenser;double tube-sheet;original model;standard model;distorted model;finiteelement analysis

U664.5

A

1672－7649(2012)03－0014－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.003

2011－05－05;

2011－06－02

國際科技合作項(xiàng)目資助(2007DFR80340);哈爾濱市科技創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(RC2008QN013001)

史冬巖(1964－)，女，博士，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。