高压给水加热器管板单元的有限元分析 finite element analysis of the high-pressure water heater tubesheet unit.pdfVIP

能源研究与信息 第27卷第4期 ResearchandInformation V01．27No．42011 Energy 1 1 文章编号： 008—8857(201)04-0203—05 高压给水加热器管板单元的有限元分析 陈国涛，王宏光 (上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093) 摘要： 高压给水加热器管板上换热管呈正三角形排布。采用ANSYS通用有限元软件，对 任意三根管子围成的单元进行分析。首先计算单元上的瞬态温度场，然后将节点温度作为载 荷求解模型热应力；还有热载荷和机械载荷同时作用时的应力。得出布管区的管板温度能够 在短时间内迟到平衡；在管板与管子连接处热应力影响较大；耦合后应力主要受热应力影响， 且随时间变化较大。 关键词：管板：有限元；温度：热应力：耦合 中图分类号：TK223．5 文献标识码：A 管板是连接水室、管束和壳体，承受管程和壳程压力以及热应力的主要部件，是管壳式 换热器不可缺少的重要元件，对其进行强度分析尤为重要。现有文献[1-4]大都是采用有限单元 法，建立管板和换热管的三维实体模型，分析整个管板上的温度场和应力场分布，以及不同工 况下的管板不同路径上的强度，并没有精确分析到每一个由正三角形排布的管子围成的管板单 元上的温度以及应力分布情况。 本文采用通用有限元软件ANSYS对管板单元进行分析。首先分析温度场，边界条件是管 子中给水与管壁问的对流换热，采用瞬态分析求出不同时刻单元上温度分布；再进行应力场分 析，将节点温度载荷载荷施加到模型，求出不同时刻热应力分布。在管壁和单元边界处热应力 随时间变化很大；管子与管板连接处热应力变化较小但是影响比较持久；分析热载荷与机械载 荷耦合的情况，得出耦合后管板单元上的应力主要受热应力影响【5]，随时间逐渐减小。 1 有限元分析模型的建立 1．1模型主要尺寸 管板上换热管呈正三角形排布，部分换热管如图1所示，换热管孔间距21mm，换热管 外径16mm，管壁厚5mm。管子沿管板厚度用强度胀接连接在管板上，再将管子与管板连接 处焊接。建模时可以认为管子与管板已达一体化程度，材料可以不同，单元是相互连接的，不 考虑接触关系。这里取一个单元进行二维分析，模型如图2所示。 收稿日期：201卜02—27 作者简介：陈国涛(1987一)，男(汉)，硕士研究生，chenguota087315@126．C01TI 万方数据 204 能源研究与信息 2011年第27卷 图1换热管的排布 图2管板单元模型 The ofheat tube Fig．2Thetubesheetunitmodel Fig．1 arrangementexchange 1．2网格划分 于2维，稳态或瞬态热分析，如图3所示。如果包含热单元的模型还要用于结构分析，应该用 格，如图4所示。 K PLANE 图4管板单元网格划分 图3 55单元示意图 ElementofPLANE55 ofthetubesheetunit Fig．3 Fig．4Meshing 1．3材料特性 管板和管子的材料属性如表1所示。 表1管板和管子材料属性 thetube 1 Material ofthetubeshee