葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，劉 昊

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

某型號換熱器前法蘭應(yīng)力分析及評定

葉 萌，鄭小濤，喻九陽，林 緯，鄭 鵬，劉 昊

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

主要針對某型號換熱器前法蘭的應(yīng)力進(jìn)行了分析，利用有限元軟件分析了該型號換熱器前法蘭的溫度場以及在熱機(jī)耦合載荷下的應(yīng)力場。根據(jù)ASME規(guī)范和相關(guān)判據(jù)對前法蘭關(guān)鍵部位進(jìn)行了應(yīng)力分析及安全評定。計算結(jié)果表明，該前法蘭最大的應(yīng)力強(qiáng)度值為209.76 MPa小于安全強(qiáng)度值，故該設(shè)計在安全范圍之內(nèi)，符合規(guī)范要求，同時為前法蘭的工程設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

換熱器；前法蘭；有限元；應(yīng)力分析；強(qiáng)度評定

換熱器廣泛應(yīng)用于能源、石化、制冷空調(diào)、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業(yè)領(lǐng)域中并在其中占有相當(dāng)大的投資比例[1]。隨著現(xiàn)代化的生產(chǎn)節(jié)奏，高效的生產(chǎn)率符合當(dāng)今社會的要求，那么這對換熱器的設(shè)計來說存在資本投入的問題。近年來，許多工程都運用ANSYS有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，因其能夠較準(zhǔn)確的反應(yīng)結(jié)構(gòu)在實際中的受力情況，使得工程設(shè)計更加科學(xué)合理，節(jié)約大量資源。本文運用有限元方法對某型號換熱器的前法蘭進(jìn)行了應(yīng)力分析及評定，以期望能夠為工程設(shè)計提供更加科學(xué)的分析方式。

1 結(jié)構(gòu)模擬

1.1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

本文主要研究內(nèi)容是對某型號換熱器前法蘭所受的應(yīng)力進(jìn)行分析，但是在換熱器中，前法蘭是與殼體連接在一起的，為了能夠體現(xiàn)殼體對前法蘭的支撐作用，故建模時將殼體與法蘭同時建模，進(jìn)而對其進(jìn)行整體分析。在ANSYS建立的模型中，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性，為節(jié)約計算機(jī)的資源，使用二分之一建模，同時對整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本文有限元結(jié)構(gòu)分析采用 SOLID95單元（對應(yīng)熱分析單元為SOLID90），SOLID95是三維八節(jié)點實體單元，該單元既能保證精度又能允許使用不規(guī)則的形狀。具體結(jié)構(gòu)模型和材料物理參數(shù)如表1，圖1所示。

表1 材料物理參數(shù)Table 1 Material physical data

圖1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型Fig.1 Structure and mesh model

經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，利用ANSYS統(tǒng)計出該模型共有單元2 123 538個，3 176 080個節(jié)點。利用單元檢查，未發(fā)現(xiàn)畸形單元。

1.2 載荷施加及邊界條件

結(jié)構(gòu)承受的載荷是以下獨立載荷的組合：作用于前法蘭側(cè)表面（包括前法蘭與殼側(cè)氣體接觸表面）的殼程外界氣體壓力，作用于前法蘭內(nèi)表面的管程流體壓力，作用于前法蘭流體壓力和殼程氣體壓力，作用于前法蘭和殼體之間的螺栓上所施加的均布拉力，作用于與墊片接觸面上所施加的均布墊片壓力，以及熱械耦合應(yīng)力所產(chǎn)生的溫度載荷（前法蘭內(nèi)側(cè)流體溫度與流體溫度）。本結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析已經(jīng)忽略了重力載荷的影響，結(jié)構(gòu)所受載荷如圖2所示。

圖2 前法蘭載荷示意圖Fig.2 Front flange load schematic

圖2中，F(xiàn)1是螺栓所受的預(yù)緊力，F(xiàn)2是墊片提供的支反力，P1是換熱器流質(zhì)的壓力，P2是外界氣壓，T1為換熱管內(nèi)流質(zhì)溫度，T2為殼程氣流質(zhì)溫度。

2 應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

2.1 溫度場分析

在正常操作條件下，前法蘭的熱邊界包括穩(wěn)態(tài)對流傳熱和熱傳導(dǎo)。在熱分析中，利用前文中所說的將 SOLID95單位轉(zhuǎn)換為其相對應(yīng)的熱單元SOLID90，并在ANSYS迭代求解器中進(jìn)行求解。經(jīng)過求解計算得到溫度分布云圖如圖3所示。

圖3 前法蘭溫度載荷Fig.3 Front flange temperature load

由圖3可知前法蘭和殼體內(nèi)側(cè)，外側(cè)大部分區(qū)域溫度近似于流質(zhì)溫度，但是在前法蘭與殼體連接處也即是焊縫處出現(xiàn)了熱應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2.2 壓力強(qiáng)度分析

由于結(jié)構(gòu)分析包含熱應(yīng)力分析，因此采用前法蘭的結(jié)構(gòu)有限元模型為熱結(jié)構(gòu)有限元模型。單元類型設(shè)置為為SOLID95單元。施加溫度載荷以及機(jī)械載荷后，結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4 前法蘭等值應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.4 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

圖5 前法蘭等值應(yīng)力強(qiáng)度云圖Fig.5 Front flange equivalence stress intensity arrangement map

通過觀察熱力耦合后的分析結(jié)果，我們可以知道當(dāng)前法蘭處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下時，其最大應(yīng)力強(qiáng)度值為209.76 MPa，位于前法蘭與殼體的連接處。

2.3 應(yīng)力強(qiáng)度分析

由上文已知前法蘭的溫度場及應(yīng)力場，故而能夠?qū)λ蟮玫膽?yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行線性化處理[2], 進(jìn)一步對前法蘭進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核。本文針對應(yīng)力強(qiáng)度值比較高的區(qū)域進(jìn)行了路徑分析，即在所分析得到結(jié)構(gòu)的不連續(xù)位置處選取相對應(yīng)的2個空間節(jié)點，設(shè)置成一個路徑，將上文所得的數(shù)據(jù)映射到所選路徑當(dāng)中，再進(jìn)行線性化處理[3]。路徑方向由內(nèi)至外，回程水室不同路徑薄膜應(yīng)力即薄膜應(yīng)力加薄膜彎曲應(yīng)力線性化結(jié)果如圖6，7所示。

圖6 前法蘭路徑評定示意圖Fig.6 Front flange evaluation path schematic

圖7 路徑1-5中薄膜應(yīng)力及薄膜應(yīng)力加薄膜彎曲應(yīng)力的分布云圖Fig.7 Path1-5 distribution of membrane stress and membrane stress adding membrane bend stress

將所標(biāo)記的5條路徑的應(yīng)力分量進(jìn)行疊加，得到相應(yīng)的載荷狀態(tài)下的應(yīng)力分量，進(jìn)一步求出主應(yīng)力及其強(qiáng)度值，最后進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評定[4,5]。由表 2可知前法蘭應(yīng)力強(qiáng)度評定合格。

表2 前法蘭應(yīng)力強(qiáng)度評定Table 2 Front flange stress intensity evaluation

3 結(jié) 論

本文運用 ANSYS結(jié)構(gòu)計算軟件對熱力耦合作用下某管殼式換熱器的前法蘭的應(yīng)力場進(jìn)行了分析，并且按照ASME Ⅷ-2[6]規(guī)范進(jìn)行了強(qiáng)度校核。計算結(jié)果表明，管殼式換熱器前法蘭的強(qiáng)度滿足安全要求。文中分析較客觀地反應(yīng)了前法蘭的受力情況，能夠為相類似的換熱器原件的設(shè)計和校核提供理論依據(jù)。

［1］林宗虎.強(qiáng)化傳熱及工程應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

［2］欒春遠(yuǎn).壓力容器ANSYS分析與強(qiáng)度計算[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

［3］穆曉東,吳玲.ANSYS軟件在鍋爐管板應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J].煉油與化工,2010(1):39-41.

［4］鄭小濤,程詩,喻九陽.異型管板應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核[J].石油化工設(shè)備,2013,42(3):33-36.

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Stress Analysis and Strength Check of Front Flange in a Shell and Tube Heat Exchanger

YE Meng，ZHENG Xiao-tao，YU Jiu-yang，LIN Wei，ZHENG Peng，LIU Hao

（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

Stress analysis on a front flange of shell type heat exchanger was carried out, the temperature field of the front flange under the steady state condition and the stress field of the front flange under combination action of temperature load and pressure load were analyzed and calculated by finite element method. According to ASME Code, stress analysis and safety assessment of the important parts of the front flange were carried out. The result shows that the maximum stress intensity value of the front flange is 209 MPa, it is smaller than the secure stress intensity value and meet the requirements of the specification. The article also provides a reliable basis for engineering design and safety assessment of the front flange.

Heat exchanger；Front flange；Finite element；Stress analysis；Strength check

TQ 051

： A

： 1671-0460（2015）03-0595-03

2014-07-16

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，碩士在讀，研究方向：化工過程機(jī)械，機(jī)械設(shè)計制造。E-mail：137592302@qq.com。