鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許志鵬

熱管換熱器管板熱應(yīng)力分析

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許志鵬

熱管換熱器存在著一定溫度載荷，溫度載荷的熱應(yīng)力是需要分析的，需要比較精確地對(duì)熱管換熱器管板溫度場(chǎng)分布規(guī)律做分析，以及計(jì)算由溫度載荷導(dǎo)致的溫度載荷應(yīng)力分布。

溫度載荷；熱應(yīng)力；應(yīng)力分布

1 熱應(yīng)力分析方式選擇

在本課題中，由于節(jié)點(diǎn)溫度未知，所以采用工程中常用的方法——間接法。間接法：先進(jìn)行熱分析，然后將求解得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷直接施加到結(jié)構(gòu)分析中去。當(dāng)熱與結(jié)構(gòu)耦合是雙向時(shí)，又因?yàn)樘幵诮徊嬗绊懼校梢圆捎弥苯臃?。本文綜合考慮，采用間接法相對(duì)而言最適合。

2 熱應(yīng)力分析載荷及其邊界條件分析

熱應(yīng)力分析中的載荷為溫度載荷，可以將節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加，在加載溫度載荷時(shí)，需要考慮其邊界約束條件，本課題根據(jù)實(shí)際情況，因?yàn)樵跉んw與管板的連接處，采用的是焊接連接，在管板的邊側(cè)，其自由度需要全部約束，限制其位移量。

3 熱應(yīng)力分析計(jì)算模擬

定義好參數(shù)與約束，施加載荷，運(yùn)行程序，得到溫度載荷引起的熱應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如圖1所示。

圖1 熱應(yīng)力分布云圖

由圖1中的熱應(yīng)力云圖可以看出，由溫度載荷引起的熱應(yīng)力強(qiáng)度最大值為32MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在管板與殼體連接的地方。在整個(gè)管板的管陣列內(nèi)，其應(yīng)力分布比較平均，分布梯度比較平緩。

分析原因：這是由于管板與殼體在連接處存在較大的溫度梯度變化，將管板與殼體連接處約束全部限制，限制其位移量，其約束對(duì)管板形成局部的應(yīng)力集中等原因，導(dǎo)致其熱應(yīng)力較為集中。

路徑分析屬于直觀的考察應(yīng)力分布情況，取管板與殼體連接處按照橫向梯度分布到應(yīng)力分布最小值區(qū)域?yàn)镻ATH1，其應(yīng)力圖如圖2所示。

圖2 熱應(yīng)力變化圖

由圖2的變化圖可以看出，數(shù)值線性化說(shuō)明了其最大值發(fā)生在管板與殼體連接處，也是熱側(cè)流體進(jìn)口和冷側(cè)流體出口處，此處的溫度載荷相對(duì)其他管板部分較大，由于管板與殼體的材料是完全相同的，并因殼體與管板之間施加了約束，產(chǎn)生了一定的擠壓力，導(dǎo)致其熱應(yīng)力相對(duì)較為集中，熱應(yīng)力值較大，與現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)從數(shù)值化方面體現(xiàn)的匹配度較高。

4 小結(jié)

由溫度載荷分布計(jì)算溫度載荷引起的熱應(yīng)力，由云圖可以得知，在管板邊緣處，由于管板受到殼體焊接的約束產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中，且在熱側(cè)進(jìn)口處存在一定的溫差，所以最大值在管板與殼體的連接處，熱應(yīng)力達(dá)到最大值32MPa，對(duì)比實(shí)際工況下的熱管換熱器管板，熱應(yīng)力分布是合理的。溫度載荷引起的熱應(yīng)力對(duì)管板造成的影響較大，在應(yīng)力計(jì)算分析時(shí)，需要分析管板與機(jī)械應(yīng)力載荷疊加時(shí)對(duì)管板的影響。

[1]薛明德,黃克智.對(duì)GB151—1999中管殼式換熱器管板計(jì)算方法的修改說(shuō)明[J].化工設(shè)備與管道,2014,51(1)：1-7.

[2]譚蔚,楊星.高參數(shù)換熱器管板熱應(yīng)力分析模型的研究[D].天津大學(xué),2010.

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（以技能大賽配合技能菜單推進(jìn)汽服學(xué)生職業(yè)能力體系研究）。