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基于SOlidWOrkS的管壳式换热器管板的应力分析
作者：赵丽娟 张玲 杨贺绪 来源：《商情》2017年第42期
[摘要]管壳式换热器是石油化学工业中最常见的换热设备。本文以固定管板换热器为例，介绍了管板的设计，利用Solidworks软件对管板进行建模，并用其自带的有限元分析模块sinalation进行温度场和应力场的分析，为管壳式换热器管板的设计提供了参考依据。 [关键词]换热器 管板 有限元分析 1引言
管壳式换热器在工业生产中的应用极为普遍，因其结构简单、造价较低、选材范围广、处理能力大还能适应高温高压的要求，至今仍处于优势地位。而管板是管壳式换热器中最重要也是最复杂的承压部件，受力情况复杂，结构种类繁多，强度影响因素较多，它的合理设计，对于节省材料和加工制造都有重要意义。
管壳式换热器是在一个圆形壳体内设置许多平行的管子，让两种流体分别从管内空间和管外空间流过进行热量交换的。管板的受力情况复杂，因而管板的分析和计算公式相当繁复。目前，世界各国先后颁布了自己的标准，主要有美国的TEMA、ASME标准、英国的Bs标准、法国的CODAP标准、德国AD标准、日本JISB8243标准。我国也颁布了自己的标准GB151-1999《钢制管壳式换热器》。本文以固定管板换热器为例，通过管板的结构设计和有限元分析，从而优化其结构设计。 2固定管板换热器管板设计
固定管板换热器的两端管板通常采用焊接方法与壳体连接固定。因其结构简单、重量轻、在壳程程数相同的条件下可排的管束多而得到广泛的应用。固定管板换热器的设计参数如表2—1所示
2.1管板的结构设计
管板和壳体的连接有可拆和不可拆两种。固定管板换热器常用不可拆连接，两端管板直接焊于外壳上并延伸到壳体周围之外兼作法兰，拆下管箱即可检修胀口或清扫管内污垢，把管板焊在壳体内不兼作法兰的结构用得较少。 2.2管板的厚度设计
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管板厚度的计算公式复杂，由于采用的简化假定各不相同，与管板的真实受力情况有不同程度的差别，以致在同样条件下用各国规范计算公式得出的厚度差别很大。我国的计算方法，在GB151-1999中有明确规定了管板最小厚度，如表2-2所示： 2.3管板的结构尺寸设计及材料选取
基于设计条件要求，固定管板换热器壳体直径为DN800，材料为Q245R，管板材料为16Mn的锻件，换热管采用等边三角形排列，换热管尺寸为φ25×2.5mm，换热管中心距S为32mm。针对管壳程压力作用下各种操作工况，根据GBl51-1999关于管板的最小厚度规定，采用SW6软件进行校核，名义厚度为8管板=50mm。 3.基于Solidworks的力学模型的建立
（1）应用Solidworks软件进行建模：使用草图绘制命令，绘制旋转造型用的草图，用“旋转凸台，基体”命令，设置旋转角度为360°，完成管板的三维建模。在管板面上建立管孔的草图，使用“拉伸，切除”命令，生成管孔。再建立换热管的草图，使用“拉伸凸台，基体”命令，生成换热管组件。这样，管板的三维模型建立完成，如图3-1所示：
（2）建立有限元模型：利用Solidworks自带的simulation模块进行管板的网格划分。为了提高有限元分析过程的效率，由于管板结构的对称性及载荷的对称性，故有限元分析只需采用1/4管板建立几何模型作为研究对象。网格类型为实体单元网格，由于系统具备对局部几何形状变化较大的地方进行网格细化的功能，故采用系统自动化加密网格化参数，认为可满足设计要求，节点总数为161255个，单元总数为88116个。划分网格后的管板模型如图3-2所示：
4.有限元分析
（1）热应力分析：参数定义好后，对管程和壳程分别施加对流传热系数，进行热力分析计算，热力场分布云图如图4-1所示。
由图可知管板的大部分厚度上温度接近流入管板或流出管板处换热管的管程流体温度，只在靠近壳程一侧很薄的区域内管板温度接近于壳程流体温度，最大温差应力强度发生在靠近壳程管板面的管子内表面处，此处温差应力最大的原因是“表皮效应”在管板接近壳程的表面附近产生了温度梯度。（2）应力分析：对管程和壳程施加压力载荷，进行应力分析，应力分布云图如图4-2所示。
由图可知管板上的应力最大值出现在外边缘上，充分体现了边缘处会产生应力集中，最大应力值远远小于材料的屈服应力275MPa，满足安全性要求。应力最小值出现在管板中心处，材料富裕度大。 5.结束语
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（1）本文应用Solidworks软件自带的simulation模块对固定管板换热器的温度场和应力场进行了分析，实例表明，运用本文所提出的分析方法可较为方便的实现固定管板换热器的应力分析，分析结果反映出最大应力值的应力分布情况与理论分析一致。Solid-works软件具有强大的三维建模功能，其自带的有限元分析模块simulation模块可对一般零件进行应力分析。 （2）由管板温度场分布图可看出管板温度大部分接近管程温度，在壳程侧只有较薄一层区域内温度接近壳程温度，满足美国ASME规范中规定的“表皮效应”理论。由管板的应力分布图可看出管板的最大应力在边缘处，最小应力在管中心处，为固定管板换热器的厚度设计提供了参考。