王 震*

（山東鐵雄新沙能源有限公司）

0 引言

換熱器是實(shí)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(qiáng)度特性對(duì)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(jì)除了滿足基本的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)外，還需要考慮各種極限工況，但是目前的試驗(yàn)研究方案無(wú)法滿足極限載荷條件下的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)需求。

有限元仿真計(jì)算是換熱器強(qiáng)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(duì)應(yīng)的載荷響應(yīng)結(jié)果[2]。為此，基于ANSYS Workbench 軟件對(duì)管程和殼程條件下的載荷響應(yīng)進(jìn)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(jì)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(jìn)行結(jié)合，確保換熱器上長(zhǎng)期工作情況下不會(huì)發(fā)生突發(fā)性失效問(wèn)題。

1 分析設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

分析設(shè)計(jì)與常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法不同，其主要針對(duì)壓力容器在成型過(guò)程中發(fā)生的變形特點(diǎn)，將應(yīng)力進(jìn)行劃分，能夠更全面地考慮載荷的具體影響，相比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的安全系數(shù)，該方法對(duì)載荷的要求相對(duì)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(qiáng)度。分析設(shè)計(jì)方法側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置進(jìn)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(jì)往往忽略該問(wèn)題。分析設(shè)計(jì)方法對(duì)于不同載荷下應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)不合理等問(wèn)題的預(yù)判有著良好的應(yīng)用效果，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化提供有利依據(jù)[5]。通過(guò)研究分析設(shè)計(jì)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(jí)和優(yōu)化。

2 靜強(qiáng)度的有限元計(jì)算

2.1 模型建立

換熱器主體機(jī)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(guò)專用接口導(dǎo)入ANSYS Workbench 設(shè)計(jì)模塊中，進(jìn)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(duì)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(jì)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(jì)算的收斂性，文中采用特定的模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方案，即將部分對(duì)強(qiáng)度分析結(jié)果影響較小的機(jī)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(dú)作用條件下，對(duì)管板、封頭、筒體以及換熱器的強(qiáng)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(dú)的管程和殼程工況會(huì)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(guò)大和應(yīng)力集中，通過(guò)強(qiáng)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(jì)算精度和效率的關(guān)鍵因素[6]。在ANSYS 軟件中，平臺(tái)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(diǎn)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(duì)于不同零件的連接處，將網(wǎng)格進(jìn)行二級(jí)加密細(xì)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(dú)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(diǎn)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(guò)共享網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)來(lái)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(diǎn)數(shù)量，但是會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格畸變程度過(guò)大，增大計(jì)算結(jié)果的誤差，因此不可取。四面體網(wǎng)格雖然不是計(jì)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(jì)算精度。

2.3 載荷與邊界條件

管程單獨(dú)作用時(shí)的載荷與邊界條件設(shè)置方案如圖3 所示，此時(shí)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(dú)作用時(shí)的載荷與邊界條件設(shè)置方案如圖4所示，此時(shí)施加正壓力載荷0.39 MPa。在靜力學(xué)計(jì)算條件下，要確保有限元模型的整體自由度為0，否則計(jì)算結(jié)果無(wú)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(jì)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(guò)求解器的迭代運(yùn)算，最終可得出管程和殼程單獨(dú)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(dú)作用時(shí)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(píng)定與分析

由于管程應(yīng)力較大，因此需要在該條件下對(duì)最大應(yīng)力進(jìn)行線性化和數(shù)值評(píng)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(diǎn)和終止點(diǎn)。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(wú)承載效果，整體為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)載荷發(fā)生變化時(shí)，該平衡狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)即可再次恢復(fù)。由于換熱器在單獨(dú)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(guò)屈服應(yīng)力的情況，對(duì)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(shí)，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(duì)于換熱器，一次薄膜應(yīng)力失效對(duì)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(guò)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(duì)于結(jié)構(gòu)的失效影響相對(duì)較小，當(dāng)換熱器外力發(fā)生改變時(shí)，二次應(yīng)力的變化呈現(xiàn)出主動(dòng)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(qiáng)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(zhǎng)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(yǔ)

仿真研究能夠有效地彌補(bǔ)試驗(yàn)測(cè)試的不足，對(duì)于仿真分析，如何確保計(jì)算精度是關(guān)鍵。因此，換熱器模型采用無(wú)縫接口導(dǎo)入，而不使用中間格式，避免了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)丟失。對(duì)于網(wǎng)格劃分，可采用獨(dú)立定義方法，根據(jù)零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)定最佳的網(wǎng)格類型，而且需要在共享節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，改善網(wǎng)格質(zhì)量。針對(duì)殼程與管程單獨(dú)作用時(shí)的極限載荷進(jìn)行強(qiáng)度的仿真計(jì)算，從靜強(qiáng)度和分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)兩方面綜合驗(yàn)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(shí)，表明強(qiáng)度滿足安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。在壓力容器的分析設(shè)計(jì)方面，有限元軟件的應(yīng)用對(duì)于換熱器性能的提升有著良好的促進(jìn)作用。