極限載荷條件下的管殼式換熱器強度特性分析

王 震*

（山東鐵雄新沙能源有限公司）

0 引言

換熱器是實現(xiàn)熱交換控制的關(guān)鍵設(shè)備，其在工作中承受著較大的熱載荷和壓力載荷，因此，結(jié)構(gòu)強度特性對于換熱器整體的穩(wěn)定性和安全性有著重要的影響[1]。換熱器是常見的化工生產(chǎn)裝備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計除了滿足基本的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)外，還需要考慮各種極限工況，但是目前的試驗研究方案無法滿足極限載荷條件下的性能測試和評價需求。

有限元仿真計算是換熱器強度研究的主要技術(shù)手段，能夠自由地設(shè)定承載和邊界條件，得出對應(yīng)的載荷響應(yīng)結(jié)果[2]。為此，基于ANSYS Workbench 軟件對管程和殼程條件下的載荷響應(yīng)進行仿真分析，校核極限載荷下的安全系數(shù)。此外，結(jié)合壓力容器的分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[3]，在特定路徑上分析線性化應(yīng)力[4]，能夠有效地將彈性應(yīng)力和塑性應(yīng)力的相關(guān)準(zhǔn)則進行結(jié)合，確保換熱器上長期工作情況下不會發(fā)生突發(fā)性失效問題。

1 分析設(shè)計方法的應(yīng)用

分析設(shè)計與常規(guī)的機械設(shè)計方法不同，其主要針對壓力容器在成型過程中發(fā)生的變形特點，將應(yīng)力進行劃分，能夠更全面地考慮載荷的具體影響，相比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的安全系數(shù)，該方法對載荷的要求相對較低。因此，采用該方法有利于控制成本，而且能夠確保局部結(jié)構(gòu)強度。分析設(shè)計方法側(cè)重于對結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置進行分析，這些位置往往是應(yīng)力集中的分布區(qū)域，而常規(guī)設(shè)計往往忽略該問題。分析設(shè)計方法對于不同載荷下應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不合理等問題的預(yù)判有著良好的應(yīng)用效果，能夠為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有利依據(jù)[5]。通過研究分析設(shè)計方法，能夠有效地打破產(chǎn)品研發(fā)的局限性，利于設(shè)備升級和優(yōu)化。

2 靜強度的有限元計算

2.1 模型建立

換熱器主體機械結(jié)構(gòu)包括管板、封頭、換熱管、筒體等，主要加工工藝為焊接，整體結(jié)構(gòu)為一體式。因此，換熱器的模型采用三維造型軟件pro/E 建立，通過專用接口導(dǎo)入ANSYS Workbench 設(shè)計模塊中，進而可完成相關(guān)操作，包括網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、邊界條件與載荷施加等，見圖1。由于換熱器模型為四周對稱式結(jié)構(gòu)，因此建立1/4 模型即可，這樣不但能夠確保計算精度，而且可以顯著提升求解器的迭代效率。在模型構(gòu)建階段，為了改善有限元計算的收斂性，文中采用特定的模型結(jié)構(gòu)簡化方案，即將部分對強度分析結(jié)果影響較小的機械結(jié)構(gòu)省略，比如倒角、圓角、螺紋孔等。根據(jù)換熱器三維結(jié)構(gòu)可知，在管程與殼程單獨作用條件下，對管板、封頭、筒體以及換熱器的強度響應(yīng)特性最能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性。單獨的管程和殼程工況會使換熱器內(nèi)部的載荷最大，因此將這兩種工況作為考量目標(biāo)。引發(fā)換熱器失效的主要因素包括應(yīng)力過大和應(yīng)力集中，通過強度仿真能夠得出相應(yīng)的應(yīng)力分布規(guī)律。

圖1 換熱器三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的數(shù)量和密度是影響有限元計算精度和效率的關(guān)鍵因素[6]。在ANSYS 軟件中，平臺為模型提供了多種網(wǎng)格劃分方法，比如自適應(yīng)網(wǎng)格法、掃略法、單元定義法等。由于換熱器模型采用裝配體形式建立，因此可根據(jù)模型零件的結(jié)構(gòu)特點設(shè)置不同的網(wǎng)格類型。在網(wǎng)格類型設(shè)置方面，將封頭設(shè)置為六面體網(wǎng)格，其他零件則均設(shè)置為四面體網(wǎng)格。對于不同零件的連接處，將網(wǎng)格進行二級加密細化，降低網(wǎng)格的畸變程度。在網(wǎng)格尺寸方面，在定義零件網(wǎng)格的獨立網(wǎng)格大小外，設(shè)置較高的相關(guān)度。根據(jù)以上設(shè)定，換熱器模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示，其中單元數(shù)量為872 361，節(jié)點數(shù)量為920 357。

圖2 換熱器網(wǎng)格劃分結(jié)果

根據(jù)有限元分析的基本原理可知，不同零部件之間的載荷作用關(guān)系通過共享網(wǎng)格的節(jié)點來傳遞。雖然自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法能夠?qū)⑺辛悴考鶆澐譃榱骟w網(wǎng)格，從而減少節(jié)點數(shù)量，但是會導(dǎo)致網(wǎng)格畸變程度過大，增大計算結(jié)果的誤差，因此不可取。四面體網(wǎng)格雖然不是計算效率最優(yōu)的網(wǎng)格類型，但是在保證網(wǎng)格密度的前提下，能夠獲得良好的計算精度。

2.3 載荷與邊界條件

管程單獨作用時的載荷與邊界條件設(shè)置方案如圖3 所示，此時模型中只有管程有壓力，因此施加正壓力0.45 MPa，1/4 模型的斷面均設(shè)置為固定約束。殼程程單獨作用時的載荷與邊界條件設(shè)置方案如圖4所示，此時施加正壓力載荷0.39 MPa。在靜力學(xué)計算條件下，要確保有限元模型的整體自由度為0，否則計算結(jié)果無法收斂。設(shè)置材料的熱膨脹系數(shù)，考慮穩(wěn)態(tài)溫度分布特性，將熱載荷載入有限元計算。

圖3 管程載荷與邊界條件

圖4 殼程載荷與邊界條件

2.4 結(jié)果分析

通過求解器的迭代運算，最終可得出管程和殼程單獨作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果，分別如圖5 和圖6 所示。從圖5 可以看出：管程條件下的最大應(yīng)力為232 MPa，低于換熱器的材料屈服極限，應(yīng)力集中位置主要分布在換熱器筒體內(nèi)壁與管板的連接處，呈環(huán)狀布局，邊緣部位的應(yīng)力相比中心位置明顯更大。從圖6可以看出：殼程單獨作用時的最大應(yīng)力為194 MPa，低于管程條件下的最大應(yīng)力。雖然管程條件的最大應(yīng)力較大，但是分布區(qū)域更廣，而且在管板和筒體一側(cè)呈現(xiàn)出一定的應(yīng)力不連續(xù)現(xiàn)象。

圖5 管程條件下的應(yīng)力云圖

圖6 殼程條件下的應(yīng)力云圖

2.5 應(yīng)力評定與分析

由于管程應(yīng)力較大，因此需要在該條件下對最大應(yīng)力進行線性化和數(shù)值評定。在最大應(yīng)力位置（管板與筒體連接處）設(shè)置路徑，如圖7 所示，根據(jù)三維坐標(biāo)值設(shè)置路徑的起始點和終止點。筒體彎曲變形使得外壁承受拉伸載荷，內(nèi)壁承受壓縮載荷，而中間層為無承載效果，整體為動態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)載荷發(fā)生變化時，該平衡狀態(tài)在短時間內(nèi)即可再次恢復(fù)。由于換熱器在單獨殼程和管程條件下的載荷最大，這也是最容易出現(xiàn)一次應(yīng)力超過屈服應(yīng)力的情況，對結(jié)構(gòu)的損傷最顯著。一次應(yīng)力主要用于平衡外部載荷產(chǎn)生的自限性變形，當(dāng)外部載荷發(fā)生改變時，一次應(yīng)力隨之發(fā)生變化，而且具有遞變特性。

圖7 路徑設(shè)置

根據(jù)路徑極值結(jié)果可知：對于換熱器，一次薄膜應(yīng)力失效對于結(jié)構(gòu)的破壞是關(guān)鍵性的，其產(chǎn)生的主要原因是內(nèi)壓載荷；內(nèi)壓過大使得封頭與筒體連接處、接管的外壁等位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)應(yīng)力線性化原理，可將一次應(yīng)力分為一次薄膜應(yīng)力、一次彎曲薄膜應(yīng)力和一次局部薄膜應(yīng)力。由于換熱器內(nèi)部存在顯著的熱載荷，明顯的溫度梯度將產(chǎn)生不同的熱膨脹量，特別是在一些結(jié)構(gòu)不連續(xù)的位置，將出現(xiàn)膨脹性的應(yīng)力集中，主要分布在平蓋和筒體連接處、換熱管與管板連接處等。但是，在換熱器穩(wěn)定條件下，二次應(yīng)力的產(chǎn)生主要與材料彎曲變形有關(guān)，因此，其在換熱器的內(nèi)外表面有著顯著的區(qū)別。二次應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)的失效影響相對較小，當(dāng)換熱器外力發(fā)生改變時，二次應(yīng)力的變化呈現(xiàn)出主動性。因此，熱載荷是影響該類型換熱器二次應(yīng)力的關(guān)鍵因素。

應(yīng)力線性化的結(jié)果如圖8 所示。該路徑下的最大應(yīng)力值為71.1 MPa，滿足一次薄膜應(yīng)力要求；線性化的應(yīng)力具有良好的連續(xù)性，表明該連接處安全性較高，能夠在極限載荷條件下保持良好的工作穩(wěn)定性。此外，影響強度的重要因素還有峰值應(yīng)力，失效形式以疲勞和裂紋為主，這是長期內(nèi)部載荷作用的結(jié)果。

圖8 應(yīng)力線性化結(jié)果

3 結(jié)語

仿真研究能夠有效地彌補試驗測試的不足，對于仿真分析，如何確保計算精度是關(guān)鍵。因此，換熱器模型采用無縫接口導(dǎo)入，而不使用中間格式，避免了節(jié)點數(shù)據(jù)丟失。對于網(wǎng)格劃分，可采用獨立定義方法，根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)特點設(shè)定最佳的網(wǎng)格類型，而且需要在共享節(jié)點位置進行網(wǎng)格加密，改善網(wǎng)格質(zhì)量。針對殼程與管程單獨作用時的極限載荷進行強度的仿真計算，從靜強度和分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)兩方面綜合驗證了換熱器的安全性和可靠性。根據(jù)分析結(jié)果可知，管程條件下的應(yīng)力值較大，主要分布在管板與筒體連接的環(huán)焊縫位置，因此，需要確保焊接質(zhì)量。當(dāng)3 倍的一次應(yīng)力小于屈服極限時，表明強度滿足安全評定標(biāo)準(zhǔn)。在壓力容器的分析設(shè)計方面，有限元軟件的應(yīng)用對于換熱器性能的提升有著良好的促進作用。