文档介绍：第卷第期北京化工大学学报自然科学版., .
正
关于管板结构的数值分析设计
于洪杰钱才富于晓东
北京化工大学机电工程学院,北京
摘要:针对管子与管板以胀接和焊接形式连接的管板结构,采用有限元方法计算了在壳程压力作用下的挠度和
应力,并拟合为管板半径、厚度和压力的函数。结果表明:由于管子的支撑作用,管板的挠度和应力对管板的半径
和厚度的变化并不十分敏感;有限元分析得到的管板应力不足按常规设计标准计算所得管板应力的一半,这表明,
虽然在换热器设计标准中管板的设计计算考虑了管子的一定支撑作用,但实际的支撑效果更大,若采用基于有限
元法的分析设计法,仍然可以降低换热器的管板厚度;与焊接结构相比,胀接结构更有利于提升开孔管板的强度与
刚度。
关键词:管板设计;有限元分析;应力;挠度
中图分类号:.
引言管板结构的有限元模型
大部分的工业生产都会用到固定管板换热器, 以固定管板换热器为研究对象,换热管采用直
原因之一是这类换热器的设计有比较完善的设计标径和壁厚为×. 的管子,正三角形排
准¨ 。这些标准都是基于简化的理论模型,尤其列,相邻管孔中心距离为。这种布管方式使
在管板设计计算中,通常把开孔的圆平板简化成放整个管板呈现。为一个周期的周期对称性。计算
在弹性基础上的直径和厚度不变的等效实心圆平采用目前比较通用的中的单元来
板,并引入强度与刚度削弱系数来计及管孔的建立模型,如图所示。为了方便在管板中央提取
影响。尽管这种管板设计方法在工程上被普遍接应力及挠度值,在过管板中心两个互相垂直的位置
受,但这样设计的管板往往厚度大、太保守。事实即和轴上未布置管子。
上,尽管换热器有各种各样的失效形式,但很少有因
为管板强度不足而发生破坏的情况。另外,当管程
和壳程的温度差较大时,管板厚度大,反而不利于降
低温差应力。当然,管板厚有助于提高管板的刚度,
保证其与法兰等连接处的密封性能。
随着计算机技术的发展,有限元法被越来越多
的应用于换热器的应力分析¨ “。本文建立了固
定管板结构有限元分析模型,计算由压力引起的管
板的应力和变形,重点研究管子的支撑作用,并考察
管板直径、厚度以及管子与管板连接方式的影响,目
图管板结构的有限兀模型
的在于探讨精确的管板数值分析设计方法。.
管子与管板的连接有焊接和胀接种方式,如
收稿日期:——图所示。由于种连接方式中管子对管板的支撑
基金项目:北京市自然科学基金作用不同,本文分别建立了焊接和胀接连接结构的
第一作者:女,年生,博士生有限元分析模型。对于胀接连接,当管子和管板没
通讯联系人有脱离开时,以整体结构共同承受载荷;而对于焊接
—: ...
连接,模拟了实际管端焊缝结构按照管子
北京化工大学学报自然科学版
与管板焊接连接结构规定,管子和管板孔之间留
有间隙,在该问隙中的管子和管板边界承受壳程介
质的压力载荷。
图管板挠度分布云图
图管子与管板种连接结构示意图.
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着管板半径变化的曲线,图中三角表示胀接连接,方
在本研究中,管板材料采用低合金钢,管
块表示焊接连接。可以看出,对于布满管子的管板,
子采用低碳号钢,这些钢种在我国常用于制造换
其挠度对半径的变化并不敏感