管板结构分析与换热器性能数值仿真-.研究 (1)

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1、武汉理工大学硕-J：学位论文1．4管板理论的发展1．4．1板理论基础管壳式换热器的管板是一个多孔平板，经典薄板理论是管板强度分析的基础理论，板子受到垂直于中面的侧向载荷作用时，将会产生不同程度的弯曲变形，板弯曲问题必须满足弹性力学的基本方程【23】：平衡方程：V·o+f=0(1一1)变形几何方程(应变位移关系式)：V×￡×V=0(1—2)物理方程(应力应变关系)：o=c／￡(1-3)而板子的弯曲性能受板子的厚度影响很大，如果板厚较大使板的挠度较板厚为小量，则根据l：沁llllo位L0ve假设口4】：1．板的

2、中间没有变形，在弯蓝时此面保持中性。2．板中原来在中平面法线上的各点，弯曲后仍在中曲面的法线上。3．板的横向正应力可以不用考虑。根据该假设，可以得出薄板小挠度理论的挠度微分方程：V2V2w=詈(1—4)上式中V2为拉普拉斯算子；w为挠度；q为载荷强度；D为板的抗弯刚度：D-高(1．5)式子中E为弹性模量，v为泊松比。1．4．2弹性基础上的多孑L当量实心平板对管板强度进行理论计算，归纳起来主要有以下几种方法：1．将多孔管板等效成实心平板，以前文薄板理论为基础，加以适当的经验性系数以反映各种因素的影响：2．考虑

3、管子的弹性支撑效果，将管板等效成实心圆板，以薄板理论为基础进行计算：3．全面考虑管板的结构和工况，利用有限元方法进行计算：6武汉理工大学硕{=学位论文早期的计算多采用第一种方法，如早期美国的TEMA标准和德国的AD标准、现行的，现行的JISB8243标准等，属于经验公式。日本的JISB8243标准的经验公式为【25】：F6=dd√茜(1-6)式中dd为管板的当量直径：C为支承形式的特征系数，分别按布管区和非布管区确定。这些方法忽略了较多因素，计算结果也偏差较大，但由于计算较简便，任然有较大的应用。目前规范中

4、较多应用第二种计算方法，如现行的BS标准、TEMA标准、前苏联的P删42．62标准、法国的CODAP标准和中国的GBl51标准。G部血er于1948年【9】提出在承担相同载荷时，多孔平板用相同尺寸和相同特性的当量实心板来等效，考虑到管孔对管板强度的削弱，增加了挠度系数降低抗弯挠度。而管板是被管子所支撑起来的，1952年[26】Gardn盯考虑了管侧压力、壳侧压力、管子和壳体的热膨胀差和管板边界约束，管子弹性支撑等因素，提出新的计算公式。黄克智等人提出的新算法，管子与管板胀接处，贴紧在管孔周边还起了加强作用；

5、同时管板厚度、管孔中心距离也影响当量弹性系数。【27】S10t和O，Donnel【281、0，Donnelf291、以及0’Donnel和‰g“301得到了应用于一般平面应力的当量弹性系数，将管板强度计算的第二种方法的应用范围拓展到一般平面应力情况。至此，管板强度计算的第二种方法已趋于完善，管束对受载荷状态下的管板有约束作用，并且可以降低管板的应力；管板厚度与管孔间距之比较大的管板受力情况较好；如果管板的当量直径与管孔直径之比足够大，且管子数目足够多，则其离散的支撑作用可以简化成连续支撑作用：且管孔对管板强

6、度的削弱可以简化为管板刚度的降低。1．4．3管板强度的有限元算法随着电子计算机的发展，对于结构复杂的管板的受力状态，越来越趋向于使用有限元方法。1978年，波兰访问学者Porowslci和美国的O’Do衄ell[3l】采用有限元方法，对于承受压力载荷和热载荷状态下的开孔板进行了研究，并且分析了具有三角形排列和矩形排列的多孔板，给管板应力分析提出了新的思路。同年Singh【32】利用计算机计算了管板的轴对称模型，在前人研究基础上，考虑了管板不开孔区的影响，还考虑了壳体、管箱与管板的相互作用，还有壳体与管板的热

7、膨胀差异。早期的有限元方法都没有通用计算程序，整个计算过程都是自己编写程序。7武汉理工大学硕：l：学位论文我国学者陈罕f33】在1997年针对固定管板式的换热器管板提出～种新的有限元分析方法。分析中采用了轴对称一维退化板单元和壳单元，连同常用的8节点等参数二维单元和弹簧单元较好的模拟了管束一管板—法兰一壳体一膨胀节系统，较真实的反应了换热器管板的受力情况，但是局限于当时计算机的计算能力，还是做出了较多的简化。随着计算机计算能力的发展，三维实体建模仿真，并且利用三维实体单元模拟管板的真实受力情况越来越多。北京

8、化工大学冷纪桐、吕洪掣34】对换热器整体采用实体单元，一些次要结构如管子伸出管板的部分采用梁单元，出口端管板的壳体采用壳单元对换热器整体模型进行热应力分析。北京化工大学安维峥【351建立管板模型时考虑了垫片的时滞效应，建立了管板—法兰～垫片一螺栓的模型，利用现代计算的强大计算能力，考虑到垫片的实际工作过程的滞后。1．5本课题研究的主要内容本课题首先对各工况下换热器管板进行强度校核，然后为了研究其某些几何尺寸对管板