板翅式换热器封头许用接管外载荷计算方法及应用

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1、板翅式换热器封头许用接管外载荷计算方法及应用第9页共9页        摘要：分析了板翅式换热器封头接管外载荷产生的原因和进行许用接管载荷计算的必要性。通过对组合极限接管载荷分量相互关系的分析，提出了接管载荷强度验算简化公式和以壳结构有限元应力分析为基础的许用接管载荷计算方法。以某封头为例，分析了接管载荷对封头强度的影响规律，给出了许用接管载荷计算过程和结果。通过对许用接管载荷计算方法及算例的分析表明，提出的方法是可行的，可有效解决封头接管载荷强度设计问题。        关键词：许用接管载荷；有限元分析；封头；分析设计        中图分类号：ＴＱ０５０．２；ＴＨ１２３

2、　　　文献标识码：Ａ        板翅式换热器封头是换然器设备上受力很复杂的部件之一，其安全性对换热器有效使用有着重要影响［１］。        封头除了承受工作时流动介质产生的内部压力外，还承受外部配管重量以及安装过程中装配误差和工作过程中的温度波动所产生的附加载荷，这些附加载荷称为接管外载荷（以下简称接管载何）。        接管载荷在封头上引起的应力，叠加上内压引起的应力使得封头应力状态很复杂，更容易发生失效，因此，为了换热器安装施工前进行配管合理布置和使用过程中限制接管载荷大小的需要，有必要建立接管载荷强度计算的方法，为用户提供许用接管载荷大小。封头结构应力分析

3、是接管载荷强度计算的基础，而封头应力计算比较复杂。一方面，如图１所示，封头有不同的结构，接管有不同的布置方向，另一方面，封头与接管连接处以及封头本体存在结构不连续性。传统的封头应力计算采用解析法，这方面的工作可见文献［２，３］。解析法存在计算过程复杂、计算精度不高的缺点，迄今尚未有可求解复杂结构、精度高、可靠和统一的封头应力解析算法。现代封头设计实践越来越多地采用原型实测和有限元法［４，５］进行分析计算。文献［６，７］应用有限元法对接管载荷进行了研究，分析了接管力和接管力矩组合作用下各载荷分量的相互关系，但未对接管载荷强度设计问题进行研究。        综合上述分析，板翅

4、式换热器接管载荷强度计算是工程上亟待解决的问题，下面采用ＡＳＭＥⅧ第9页共9页２压力容器设计规范和分析设计法［８］，提出一个用于工程设计的接管载荷强度验算公式和应用有限元技术计算许用接管载荷的方法，并通过算例给出了封头接管载荷分量对封头强度的影响规律和许用接管载荷数值。        １　接管载荷强度设计和许用接管载荷计算方法        １１　组合接管载荷关系分析［７］        文献［７］采用有限元法，针对承受内压的准球形封头，分析了施加组合接管载荷后的的结构应力、变形和极限接管载荷，结构应力和应变采用弹性／理想塑性本构关系，并通过变形／载荷关系曲线确定极限接管载

5、荷。图２是该文献的接管载荷分量简图，Ｍｉ、Ｍ０是接管弯曲力矩，Ｔ是接管扭矩，Ｆ是接管轴向力，Ｐ是内压。        图３是接管轴线相对封头轴线处于三个不同位置时，组合接管弯曲力矩极限载荷关系曲线，曲线近似于１／４圆，其关系可表示为：             第9页共9页        式中：ＭＩＬ、ＭＯＬ一接管弯曲力矩单独作用时的极限载荷。此外组合轴向力与弯曲力矩的极限载荷关系曲线与图３类似，因此，对于承受内压的封头，其组合极限接管载荷关系都可表示为类似于式（１）的平方和关系式。以组合接管载荷关系曲线和关系式为基础，下面对工程中接管载荷强度设计问题进行分析。       

6、 １２　接管载荷强度设计　　        图４表示了接管载荷分析时的坐标系和接管载荷简化后的六个分量Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ，其中Ｍｘ和Ｍｙ是接管弯曲力矩，Ｍｚ是接管扭矩，Ｆｚ是接管轴向力，Ｆｘ和Ｆｙ是接管剪切力。        图５表示了不同组合方式的接管载荷极限分量关系，Ａ、Ｂ是弯曲力矩／轴向力极限载荷关系曲线、Ｃ、Ｄ是扭矩／剪切力极限载荷关系曲线。接管载荷强度设计时，工程上常采用合成弯矩和合成剪力，因此图中给出了合成弯曲力矩／轴向力关系曲线Ｅ’和扭矩／合成剪切力关系曲线Ｇ’（图中两条虚线），曲线Ｅ’和Ｇ’以下的区域都是安全的。为了工程计算方便，取极限载荷关

7、系斜线Ｅ和Ｇ，再考虑安全系数，接管载荷安全区域选择斜线Ｈ和Ｊ以下的部份。图中的符号为：               第9页共9页        １３　许用接管载荷计算方法　　           式（３）和（４）中许用接管载荷的大小与封头的形状、尺寸和内压都有关系，计算过程是：首先应用有限元分析技术，根据封头极限接管载荷约束条件求出六个极限接管载荷分量ＦｘＬ，ＦｙＬ，ＦｚＬ，ＭｘＬ，ＭｙＬ，ＭｚＬ，再根据（２）式求出极限接管力ＦＬ和极限接管力矩ＭＬ，最后按下式确定许用接管载荷：             第9页共9页