基于ANSYS斜錐殼固定管板釜式重沸器有限元分析

2013-08-06 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來(lái)源:仿真在線(xiàn)

斜錐殼固定管板釜式重沸器是精制對(duì)苯二甲酸生產(chǎn)裝置中的一臺(tái)重要設(shè)備,是一種帶蒸發(fā)空間的臥式換熱器,其殼程大、小筒體之間通常采用斜錐殼進(jìn)行連接。此類(lèi)換熱器整體結(jié)構(gòu)的上、下非對(duì)稱(chēng)性必然導(dǎo)致設(shè)備殼體的彎曲變形,這就要求在進(jìn)行管板應(yīng)力分析時(shí)必須考慮斜錐殼對(duì)管板應(yīng)力分布規(guī)律的影響,同時(shí)管板及管束的存在對(duì)斜錐殼的應(yīng)力分布規(guī)律亦有相應(yīng)的影響。筆者利用ANSYS 軟件的多種單元及其APDL 語(yǔ)言,對(duì)此類(lèi)設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)化建模,實(shí)現(xiàn)了對(duì)斜錐殼、管板等部位的應(yīng)力分析與計(jì)算。

1,9—管板;2,7-管箱;3,8-殼程筒體短節(jié);4,6-斜錐殼;5-絲網(wǎng)除沫器;10-殼程筒體;11-換熱管;N1-氣體進(jìn)口;N2-氣體出口;N3-凝液出口;N4-凝液進(jìn)口;N5-蒸汽出口;N6-人孔

2 有限元建模

斜錐殼固定管板釜式重沸器的設(shè)計(jì)參數(shù),主要幾何尺寸,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及部分幾何尺寸。殼程材料為16MnR,管程材料為OCr17Ni12Mo2。

2.1 力學(xué)模型簡(jiǎn)化

由于設(shè)備主要分析部位是斜錐殼及管板與殼體連接區(qū),故汽包、絲網(wǎng)除沫器、接管均可略掉。鞍座略掉,僅在其與設(shè)備連接部位保留相應(yīng)的約束。管板按抗彎剛度等效簡(jiǎn)化為實(shí)心圓平板,管子簡(jiǎn)化為梁,折流板簡(jiǎn)化為桁架。

2.2 有限元建模

管板、管箱、斜錐殼、殼程大、小筒體均采用Solid45 單元,熱分析是采用Solid70 單元,換熱管及折流板桁架采用Beam188 單元,折流板與筒體間的連接使用Link10 單元(受壓)。

2.2.1 管板的簡(jiǎn)化

根據(jù)等效實(shí)心圓平板理論,管板布管區(qū)采用實(shí)心板時(shí),該區(qū)域的管板材料屬性需采用有效彈性模量E*和有效泊松比,這樣雖然管板布管區(qū)不建立出真實(shí)的管孔,但仍具有與真實(shí)管板等同的抗彎特性。管板非布管區(qū)仍具有原有的材料屬性。根據(jù)管板厚度與孔間距比計(jì)算孔橋系數(shù),并可由查得有效彈性模量與材料實(shí)際彈性模量之比E*/E=0.38,有效泊松比ν=0.32。

由于管板采用了當(dāng)量實(shí)心圓平板,而實(shí)際上管程側(cè)管板是由換熱管壁端面和管板凈面積共同承壓,管程壓力為2.0MPa,可算得作用在當(dāng)量實(shí)心圓平板管程側(cè)布管區(qū)上的等效壓力為1.52MPa。殼程側(cè)管板由管板凈面積承壓,殼程壓力為0.58MPa,作用在當(dāng)量實(shí)心圓平板殼程側(cè)布管區(qū)上的等效壓力為 0.38MPa。

為了得到當(dāng)量實(shí)心圓平板管板布管區(qū)上下表面的溫度,建立了管板換熱管單元子模型進(jìn)行熱分析,圖2是熱端管板與換熱管實(shí)際結(jié)構(gòu)與有限元模型示意圖。

各部位的對(duì)流傳熱系數(shù)所示。分析得到熱端管板管程側(cè)溫度343.4℃,殼程側(cè)溫度161.3℃。冷端管板管程側(cè)溫度146.5℃,殼程側(cè)溫度214.9℃。

2.2.2 換熱管的簡(jiǎn)化

換熱管受到內(nèi)外壓力時(shí),會(huì)產(chǎn)生軸向的伸縮變形,產(chǎn)生泊松效應(yīng)。對(duì)ANSYS188單元,用對(duì)換熱管施加等效溫度的方法,模擬換熱管的泊松效應(yīng),即通過(guò)施加等效溫度得到與泊松效應(yīng)相同的軸向伸長(zhǎng)量。等效溫度計(jì)算公式為

2.2.3 熱分析傳熱邊界條件

熱分析傳熱邊界如圖3所示,邊界載荷。

2.2.4 應(yīng)力分析載荷及邊界條件

管箱內(nèi)表面、除布管區(qū)外的管箱側(cè)管板施加管程壓力,殼程筒體、斜錐殼、除管板布管區(qū)外的殼程管板施加殼程壓力,管板布管區(qū)施加等效壓力,管箱端部施加軸向平衡載荷。熱應(yīng)力計(jì)算直接讀取熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度,換熱管施加平均溫度175℃。與固定案作鞍座接觸的筒體部位全約束,與活動(dòng)鞍座接觸的筒體部位約束垂直方向及橫向的位移。

有限元模型中體單元56732 個(gè),梁?jiǎn)卧?6586 個(gè),link10 單元72 個(gè)。

2.3 工況及計(jì)算結(jié)果

對(duì)表 5 中的各工況進(jìn)行了分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)工況6 為危險(xiǎn)工況,其應(yīng)力強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖5。分析發(fā)現(xiàn)熱端管板具有最大的應(yīng)力強(qiáng)度值,且在熱應(yīng)力存在的工況4、5、6、7 中,熱端管板的最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)位置均在管程側(cè)管板與管箱連接的過(guò)渡區(qū)內(nèi)壁,這是由于管、殼程構(gòu)件自由變形不協(xié)調(diào)和該位置的結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的。

幾種工況下大小端錐殼均存在較高的應(yīng)力強(qiáng)度。在有熱應(yīng)力存在的工況4、工況5、工況6、工況7下,錐殼小端過(guò)渡區(qū)具有較高應(yīng)力強(qiáng)度,主要是由熱應(yīng) 力在錐殼處引起的軸向拉伸引起的。在無(wú)熱應(yīng)力參與的工況2、工況3 下,錐殼大端過(guò)渡區(qū)具有較高應(yīng)力強(qiáng)度值,主要由殼程壓力在大端過(guò)渡區(qū)的邊緣應(yīng)力造成的。

分析發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力是管板產(chǎn)生最大應(yīng)力強(qiáng)度的主要原因,對(duì)設(shè)備的安全起著至關(guān)重要的作用。自重和液柱靜壓力對(duì)設(shè)備的應(yīng)力強(qiáng)度分布影響較小,可以忽略。對(duì)各種工況進(jìn)行了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定,評(píng)定結(jié)果均通過(guò)。

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