蒸發式空冷器固定管箱應力仿真分析

雷 雷，楊 俠，鄭賢中，張 剛，楊 清

(1.武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073；2.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

蒸發式空冷器是一種被廣泛應用于化工、煉油及煤液化等行業中的換熱設備[1]，通過蒸發冷卻能迅速降低流體流動溫度[2]，其由固定管箱、風機、百葉窗和構架等組成。固定管箱是蒸發式空冷器的重要組成部分，它將管道輸送過來的流體均勻分布到各換熱管，然后再將管內流體匯集到一起送出空冷器。管箱的結構不同，對空冷器整體的剛度及其使用性能會產生不同的影響[3-4]。鑒于管箱結構的復雜性，以前對管箱應力分析通常會將管箱中的管板簡化成具有相同有效彈性常數的等效無孔固體板，但這樣無法真實反應管箱整體應力分布[5]。隨著計算機技術的發展，有限元數值分析方法被應用于復雜結構的研究與設計中，它能模擬管箱的真實結構以及載荷與邊界條件，為結構的進一步優化提供了參考[6-9]。本文利用有限元分析軟件ANSYS對某型號蒸發式空冷器固定管箱應力分布及大小進行了研究，得到了最大應力出現的位置，采用ASME中應力分類準則及局部失效準則，對應力和局部應力進行分類評定，并提出減小最大應力的相應措施。

1 建立蒸發式空冷器模型及有限元分析

1.1 幾何模型

固定管箱由殼體、接管、管束以及角板組成，其結構如圖1所示，利用有限元分析軟件ANSYS建立的實體模型如圖2所示。固定管箱中管板和絲堵板尺寸為1 880 mm×825 mm×45 mm，端板尺寸為825 mm×102 mm×30 mm，底頂板尺寸為1 820 mm×102 mm×30 mm，接管及管束尺寸見表1。

依據ASME第Ⅷ篇第二分篇中的設計準則[10]，固定管箱的設計參數見表2，各部件的材料及其性能參數見表3。

1.2 模型網格劃分

采用ANSYS軟件進行有限元分析，選擇Soild186單元，將模型劃分為388 081個混合單元和526 233個節點，并經過網格收斂性驗證，管箱模型網格劃分如圖3所示。

圖1 固定管箱結構

圖2 固定管箱實體模型

表1 接管及管束的幾何尺寸

1.3 約束與加載

1.3.1 約束

將連接角板側面各節點進行全約束，施加位移邊界條件，如圖4所示。

表2 固定管箱設計參數

1.3.2 加載

異形接管N1～N4的等效壓力p1=-9.38 MPa，接管N5的等效壓力p2=-8.25 MPa，接管N6的等效壓力p3=-8.94 MPa，管束的等效壓力p4=-10.73 MPa。載荷施加如圖5所示。

2 有限元計算結果及評定

2.1 應力評定

分析得到的固定管箱各部件等效應力云圖如圖6～圖11所示。

表3 各部件材料及其性能參數

圖3 管箱模型網格劃分 圖4 施加位移邊界條件 圖5 載荷施加

圖6 殼體等效應力云圖 圖7 管束等效應力云圖 圖8 連接角板等效應力云圖

圖9 異形接管N1～N4等效應力云圖 圖10 接管N5等效應力云圖 圖11 接管N6等效應力云圖

根據ASME第Ⅷ篇第二分篇的應力分類準則，使用彈性應力分析方法來對固定管箱部件應力進行評定。定義Pm為一次總體薄膜應力、Pl為一次局部薄膜應力、Pb為彎曲應力、Q為二次應力、Sm為材料許用應力。應力強度判定標準有以下4種類型：Pm≤1.0Sm，Pl≤1.5Sm，Pl+Pb≤1.5Sm，Pl+Pb+Q≤3Sm。應力評定結果如表4所示。

2.2 局部應力評定

由應力分析結果可知，固定管箱中最大應力位于殼體的加強筋上。由于加強筋開孔使得結構產生不連續區，容易產生應力集中。同時，開孔加強筋對流體起到了減壓作用，流體流經帶孔加強筋時流速增大，流速越大，對結構產生的應力和變形也越大。此外，外載荷產生一次應力和二次熱應力也會對局部應力產生一定的影響。

根據ASME第Ⅷ篇第二分篇第5.3節“局部失效防護”，對塑性破壞進行評定之后還要對局部最大應力處進行評定。使用以彈性分析為基礎的局部失效準則，對三個線性化主應力的代數和按σ1+σ2+σ3≤4Sm(σi為三個方向的主應力，i=1,2,3)進行校準。選擇殼體最大應力位置上的兩條路徑SCL1和SCL2進行局部失效評定，并沿著路徑方向進行應力線性化。局部應力評定結果如表5所示。

表4 應力評定結果

由以上分析結果可知，固定管箱應力強度滿足要求。

3 結論

本文對固定箱管進行了有限元分析，采用ASME第Ⅷ篇第二分篇中應力分類準則及局部失效準則對分析結果進行了評定，得到以下結論：

(1) 有限元分析得到的應力云圖表明，最大應力出現在固定管箱加強筋上，對比材料許用應力，該處較其他部位更容易產生破壞。可以考慮通過增大圓孔、減少開孔數量或增加加強筋厚度來降低局部最大應力，提高結構應力強度，延長使用壽命。

(2) 基于彈性分析準則對局部應力進行評定，分析得到應力最大處，并對指定路徑進行局部失效分析，驗證了結構的合理性和安全性，為管箱設計提供了理論依據，具有一定的實際意義。

表5 局部應力評定結果