基于ANSYS斜錐殼固定管板釜式重沸器有限元分析

2013-08-06 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓中心來源:仿真在線

斜錐殼固定管板釜式重沸器是精制對苯二甲酸生產裝置中的一臺重要設備,是一種帶蒸發(fā)空間的臥式換熱器,其殼程大、小筒體之間通常采用斜錐殼進行連接。此類換熱器整體結構的上、下非對稱性必然導致設備殼體的彎曲變形,這就要求在進行管板應力分析時必須考慮斜錐殼對管板應力分布規(guī)律的影響,同時管板及管束的存在對斜錐殼的應力分布規(guī)律亦有相應的影響。筆者利用ANSYS 軟件的多種單元及其APDL 語言,對此類設備進行了參數(shù)化建模,實現(xiàn)了對斜錐殼、管板等部位的應力分析與計算。

1,9—管板;2,7-管箱;3,8-殼程筒體短節(jié);4,6-斜錐殼;5-絲網(wǎng)除沫器;10-殼程筒體;11-換熱管;N1-氣體進口;N2-氣體出口;N3-凝液出口;N4-凝液進口;N5-蒸汽出口;N6-人孔

2 有限元建模

斜錐殼固定管板釜式重沸器的設計參數(shù),主要幾何尺寸,結構簡圖及部分幾何尺寸。殼程材料為16MnR,管程材料為OCr17Ni12Mo2。

2.1 力學模型簡化

由于設備主要分析部位是斜錐殼及管板與殼體連接區(qū),故汽包、絲網(wǎng)除沫器、接管均可略掉。鞍座略掉,僅在其與設備連接部位保留相應的約束。管板按抗彎剛度等效簡化為實心圓平板,管子簡化為梁,折流板簡化為桁架。

2.2 有限元建模

管板、管箱、斜錐殼、殼程大、小筒體均采用Solid45 單元,熱分析是采用Solid70 單元,換熱管及折流板桁架采用Beam188 單元,折流板與筒體間的連接使用Link10 單元(受壓)。

2.2.1 管板的簡化

根據(jù)等效實心圓平板理論,管板布管區(qū)采用實心板時,該區(qū)域的管板材料屬性需采用有效彈性模量E*和有效泊松比,這樣雖然管板布管區(qū)不建立出真實的管孔,但仍具有與真實管板等同的抗彎特性。管板非布管區(qū)仍具有原有的材料屬性。根據(jù)管板厚度與孔間距比計算孔橋系數(shù),并可由查得有效彈性模量與材料實際彈性模量之比E*/E=0.38,有效泊松比ν=0.32。

由于管板采用了當量實心圓平板,而實際上管程側管板是由換熱管壁端面和管板凈面積共同承壓,管程壓力為2.0MPa,可算得作用在當量實心圓平板管程側布管區(qū)上的等效壓力為1.52MPa。殼程側管板由管板凈面積承壓,殼程壓力為0.58MPa,作用在當量實心圓平板殼程側布管區(qū)上的等效壓力為 0.38MPa。

為了得到當量實心圓平板管板布管區(qū)上下表面的溫度,建立了管板換熱管單元子模型進行熱分析,圖2是熱端管板與換熱管實際結構與有限元模型示意圖。

各部位的對流傳熱系數(shù)所示。分析得到熱端管板管程側溫度343.4℃,殼程側溫度161.3℃。冷端管板管程側溫度146.5℃,殼程側溫度214.9℃。

2.2.2 換熱管的簡化

換熱管受到內外壓力時,會產生軸向的伸縮變形,產生泊松效應。對ANSYS188單元,用對換熱管施加等效溫度的方法,模擬換熱管的泊松效應,即通過施加等效溫度得到與泊松效應相同的軸向伸長量。等效溫度計算公式為

2.2.3 熱分析傳熱邊界條件

熱分析傳熱邊界如圖3所示,邊界載荷。

2.2.4 應力分析載荷及邊界條件

管箱內表面、除布管區(qū)外的管箱側管板施加管程壓力,殼程筒體、斜錐殼、除管板布管區(qū)外的殼程管板施加殼程壓力,管板布管區(qū)施加等效壓力,管箱端部施加軸向平衡載荷。熱應力計算直接讀取熱分析得到的節(jié)點溫度,換熱管施加平均溫度175℃。與固定案作鞍座接觸的筒體部位全約束,與活動鞍座接觸的筒體部位約束垂直方向及橫向的位移。

有限元模型中體單元56732 個,梁單元86586 個,link10 單元72 個。

2.3 工況及計算結果

對表 5 中的各工況進行了分析計算,發(fā)現(xiàn)工況6 為危險工況,其應力強度云圖見圖5。分析發(fā)現(xiàn)熱端管板具有最大的應力強度值,且在熱應力存在的工況4、5、6、7 中,熱端管板的最大應力強度點位置均在管程側管板與管箱連接的過渡區(qū)內壁,這是由于管、殼程構件自由變形不協(xié)調和該位置的結構不連續(xù)造成的。

幾種工況下大小端錐殼均存在較高的應力強度。在有熱應力存在的工況4、工況5、工況6、工況7下,錐殼小端過渡區(qū)具有較高應力強度,主要是由熱應力在錐殼處引起的軸向拉伸引起的。在無熱應力參與的工況2、工況3 下,錐殼大端過渡區(qū)具有較高應力強度值,主要由殼程壓力在大端過渡區(qū)的邊緣應力造成的。

分析發(fā)現(xiàn)熱應力是管板產生最大應力強度的主要原因,對設備的安全起著至關重要的作用。自重和液柱靜壓力對設備的應力強度分布影響較小,可以忽略。對各種工況進行了應力強度評定,評定結果均通過。

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