換熱器接管的計(jì)算機(jī)模擬分析

古麗娜爾·圖爾遜

（新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工技術(shù)系，新疆 奎屯 833200）

零部件是構(gòu)成設(shè)備最小的單元，化工設(shè)備有許多零部件所構(gòu)成的，常見的化工設(shè)備有換熱設(shè)備、儲存設(shè)備、塔設(shè)備和反應(yīng)設(shè)備。其中換熱設(shè)備在整個化工設(shè)備投資中占50%，可想而知換熱設(shè)備在化工生產(chǎn)和其他領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛。最常見的換熱設(shè)備之一就是固定管板換熱器，固定管板換熱器里的換熱管固定在管板上，管板和殼體之間剛性連接，相互之間無相對移動形成不可拆式連接，因此就叫固定管板換熱器，一般常使用于管程和殼程溫差不大的換熱場合。

換熱管和殼體溫差較大的時候必須在換熱器殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，當(dāng)換熱管和殼體溫差超過50 ℃時，膨脹節(jié)發(fā)生彈性變形，主要是補(bǔ)償換熱管和殼體溫度差異較大而引起的熱膨脹。

1 換熱器部件的基本設(shè)計(jì)

首先對換熱器所有部件的尺寸進(jìn)行計(jì)算和分析，確定固定管板換熱器的換熱管形式、換熱管的定型尺寸、換熱管的材料、換熱管排列方式、封頭形狀、接管尺寸等。確定換熱器管子數(shù)，通過初步計(jì)算換熱管管子數(shù)為607根，管子排列方式為三角形排列，換熱器殼體壁厚為8 mm，封頭形式為橢圓形封頭，支座為裙式支座，換熱器殼程直徑為1 000 mm，法蘭確定為長頸對焊法蘭，確定了換熱器零部件定型尺寸。

2 工程常用軟件UG、ANSYS的介紹

UG軟件既能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)建模又能實(shí)現(xiàn)動態(tài)建模，在化工分析領(lǐng)域中可認(rèn)為實(shí)用性較強(qiáng)的軟件之一，在使用過程中首先根據(jù)最初確定的換熱器所有零部件的定型尺寸和定位尺寸進(jìn)行建模和按順序裝配，然后才能形成各個零部件安裝齊全的一個整體。UG軟件含有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，在化工制圖中常用的畫圖軟件CAD之間能實(shí)現(xiàn)切換，就算沒有數(shù)據(jù)也能實(shí)現(xiàn)自由切換，為我們提供了良好的分析界面。使用時發(fā)現(xiàn)UG 軟件完全可以使用CAD的圖線導(dǎo)入到UG里然后進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)從參數(shù)轉(zhuǎn)變模型的過程，也可以實(shí)現(xiàn)從三維建模直接生成二維圖形，為我們提供了方便又直觀的分析平臺。

ANSYS軟件是一種通用的有限元分析軟件，與UG、CAD等軟件接口能進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，可將對數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理、分析和后處理等步驟，整個過程完整而且具有較高的可靠性。ANSYS軟件可以實(shí)現(xiàn)所建模型在電磁場、聲場、流體動力學(xué)中的分析，也可以實(shí)現(xiàn)電磁場、聲場、流體動力學(xué)等多種物理場的耦合分析，是為研究者提供有力數(shù)據(jù)的有用軟件之一。

3 換熱器管件部件的建模過程

在使用UG軟件對于換熱器進(jìn)行建模時，首先啟動“新建”命令，新建名稱可以是每一個零部件的名稱，因?yàn)樽詈筮M(jìn)行裝配時根據(jù)名稱進(jìn)行裝配，所以強(qiáng)調(diào)新建名稱就是零部件名稱。第二步選擇點(diǎn)擊工具欄中的“特征”按鈕。第三步通過選擇“草圖”按鈕，對固定管板換熱器所有零部件進(jìn)行外部輪廓的繪制。第四步使用一些特征命令實(shí)現(xiàn)換熱器零部件的建模。換熱器基本形狀為圓筒形，大部分零部件形狀也是圓筒形，所以根據(jù)零部件的形狀特點(diǎn)選擇相應(yīng)的特征命令，最常用的特征命令有：“回轉(zhuǎn)”“拉伸”、“掃掠”等，如圖1至圖4所示。

圖1 繪制橢圓形封頭

圖2 形成橢圓形封頭

圖3 確定封頭開孔位置

圖4 開孔

通過封頭進(jìn)行開孔，開孔部位安裝接管，孔與接管裝配尺寸與接管尺寸相匹配，第一步將筒體部件添加在組件中，第二步選擇工具欄“裝配”，點(diǎn)擊“添加組件”按鈕，第三步點(diǎn)擊按鈕確定即可完成導(dǎo)入的部件。按照此步驟以此類推完成所有零部件的裝配。

圖5 繪制接管

圖6 形成接管圖

圖7 接管與封頭、筒體裝配圖

4 使用ANSYS對換熱器接管進(jìn)行分析

使用UG 軟件進(jìn)行的模型使用與ANSYS 的工作平臺導(dǎo)入到ANSYS當(dāng)中。因?yàn)槟壳癆NSYS的版本支持UG7.0環(huán)境下建的模型導(dǎo)入ANSYS當(dāng)前工作平臺中。進(jìn)入ANSYS工作環(huán)境中使用軟件的功能先對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后得到的單元可以是三角形、四邊形或者是三角形與四邊形的混合。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算準(zhǔn)確率較高，應(yīng)力應(yīng)變分布越明顯，如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 網(wǎng)格劃分

圖9 應(yīng)力分布圖

圖10 應(yīng)力分布圖

5 結(jié) 論

接管安裝在是上封頭中間的部分，通過使用ANSYS 軟件進(jìn)行分析得知開孔部位應(yīng)力比較集中，應(yīng)力值最高表現(xiàn)為紅色，應(yīng)力集中現(xiàn)象最嚴(yán)重，比較危險；應(yīng)力值最低表現(xiàn)為藍(lán)色，藍(lán)色區(qū)域所受的應(yīng)力最小，比較安全。黃色區(qū)域應(yīng)力集中僅次于紅色區(qū)域，也是應(yīng)力集中較高的部分。從應(yīng)力分析受力云圖可看出危險點(diǎn)出現(xiàn)在橢圓封頭與補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接處，而從焊接處往外以同心圓的形式應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減弱。所以在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)接管與封頭焊接處的安全。

在這次研究過程中首先確定了零部件的形狀大小的定型尺寸和確定位置的定位尺寸，再次根據(jù)定位尺寸有序地組裝了零部件，最后根據(jù)所選的零部件作為研究對象進(jìn)行了分析。本文主要使用UG軟件對固定管板換熱器所有部件進(jìn)行三維建模，最后將接管與封頭部分導(dǎo)入到ANSYS分析界面，進(jìn)行了應(yīng)力分析。采用不同顏色將應(yīng)力分布分析出來。在整個建模與分析過程中體現(xiàn)了UG軟件與ANSYS軟件的計(jì)算和分析當(dāng)中的較強(qiáng)的可靠性，為廣大設(shè)備技術(shù)人員和研究人員提供了一定的計(jì)算基礎(chǔ)和分析參考。通過對換熱器接管的計(jì)算機(jī)模擬與分析對以后的研究思路奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，除了接管之外，換熱器或者其他的化工設(shè)備中所有的零部件尤其是主要的受壓部件都可以使用UG軟件和ANSYS軟件進(jìn)行建模和分析，在建模和分析過程中可以根據(jù)設(shè)備在生產(chǎn)過程中的實(shí)際情況添加邊界條件。