舰用冷凝器原模型与畸变模型力学特性研究

史冬岩，张 亮，张桐鸣，张 成，高旭文

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

舰用冷凝器原模型与畸变模型力学特性研究

史冬岩，张 亮，张桐鸣，张 成，高旭文

(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

针对非对称布管冷凝器双管板结构研究较少的现象，介于实际模型试验时诸条件的限制，采用缩尺比模型试验时，因缩尺导致模型小特征难以加工和试验的情况，基于有限元数值仿真法研究冷凝器双管板基准模型、畸变模型与原模型的力学特性关系。研究表明，基准模型能很好地预测原模型力学性能;畸变模型在一定的畸变尺寸下能较精确地预测原模型力学性能。

冷凝器;双管板;原模型;基准模型;畸变模型;有限元分析

0 引言

管壳式换热器是在一个圆筒形壳体内设置许多平行管子(称为管束)，让流体分别从管内空间(称为管程)和管外空间(称为壳程)流过进行热量交换，在化工生产中，管壳式换热器在所有的换热设备中占主导地位［1］。管壳式换热器易于制造，成本较低，清洗方便，适应性强，处理量大，工作可靠，选材范围广且可应用于高温高压的工况条件下，是应用最为广泛的换热设备，约占换热设备总量的70%［2－3］。

管板是管壳式换热器中最重要也是最复杂的承压部件，通常开有大量规则分布的管孔，对整台冷凝器的安全性和经济性有极其重要的影响［4］。以往对管板的研究以及各国的管板设计规范大多采用等效板理论［5］，而等效板法是基于弹性薄板理论，用于厚管板分析时可能存在较大偏差。由于管板的结构复杂，所以目前有关舰用冷凝器管板研究公开发表的文献较少，已发表的文献大多采用单管板的计算模型，且传热管束的布置具有轴对称性［4］。

在现代科学的发展历史中，模型试验的作用是不可磨灭的，在工程科学领域更是如此。但由于经费开支和环境保护约束等原因，不可能对实际模型进行试验。目前，国内外常利用缩尺比模型进行试验，但由于试验条件的限制，试验时并不能满足完全相似定律，因此，研究原型与畸变模型之间的力学相似关系变得至关重要，也只有完全了解原型与畸变模型之间力学相似关系，才能将试验结果应用到实际模型的研究中，实现用小模型预测实际模型的响应特性［6］。

本文以某舰用非对称布管冷凝器双管板模型为例，利用有限元数值仿真法，研究冷凝器双管板的力学特性，并对其进行畸变缩尺，研究畸变模型的力学特性，对原模型与畸变模型之间的力学特性关系展开评估，旨在对冷凝器双管板的强度特性研究及试验方面提供一些有意义的参考。

1 模型建立

1.1 管壳式换热器结构

一套完整的换热器主要包括壳体(筒体)、管板、换热管束、法兰、前端管箱(又称顶盖或封头)和后端结构等部件组成［1］，典型的管壳式换热器的结构示意图如1所示。由图可知，管板连接着封头、筒体及换热管束，承受着来自3个部件的载荷以及管程压力、壳程压力，是管壳式换热器中最重要也是最复杂的承压部件。管板的结构设计和强度计算是否合理，关系到整台冷凝器的安全性和经济性。

图1 管壳式换热器的结构示意图Fig.1 Structure diagram of the sheet exchanger

1.2 冷凝器双管板有限元模型

以某舰非对称布管冷凝器双管板模型为例，基于有限元数值仿真计算法考察冷凝器双管板的力学特性，采用大型有限元前处理软件HyperMesh分别建立冷凝器双管板原模型有限元模型;基于原模型完全缩尺1/3倍后的基准模型有限元模型;基于基准模型，在不改变布管区域轮廓的前提下，相应减少管板上管孔的数量，对管孔直径及管子直径进行畸变(畸变系数λh分别为2，3，4)的畸变模型有限元模型。利用国际上通用大型非线性有限元软件ABAQUS对建立的有限元模型进行数值仿真分析计算。由于冷凝器双管板几何模型及边界条件均完全对称，故可采用对称边界条件，取1/2模型为分析研究对象，分析研究中考察的对象主要为管板，故建模时可略去封头，图2所示为完成六面体网格划分的冷凝器双管板的有限元模型。

图2 冷凝器双管板的有限元模型Fig.2 The finite model of the double tube-sheet of the condenser

1.3 材料特性及边界条件

当换热介质无腐蚀或有轻微腐蚀时，一般采用低炭钢或普通钢板制造或锻造管板;当换热介质为腐蚀性介质时，则采用耐腐蚀材料，如不锈钢材料;当管板很厚时，可采用复合管板，即以不锈钢抵抗腐蚀，以炭钢或普通钢承受介质的压力;有时为适应高温高压下的热应力和机械应力的叠加，而采用薄管板，如椭圆管板和碟形管板等［7］。本研究采用的冷凝器材料参数如表1所示。

表1 冷凝器材料特性Tab.1 Material characteristics of the condenser

冷凝器工作时，不仅承受着管程压力和壳程压力，同时还承受着换热管和壳体在操作条件下的热膨胀差所产生的轴向力。此外，还有法兰力矩等也间接影响着管板的应力分布情况，所以管板受力情况最为复杂［1］。本研究主要考察冷凝器双管板原模型与畸变模型之间的力学关系，不考虑温度及法兰力矩对管板的影响，冷凝器的载荷工况如表2所示，其边界条件如图3所示。

表2 冷凝器载荷工况Tab.2 Load working condition of the condenser

图3 冷凝器边界条件Fig.3 Boundary condition of condenser

2 计算结果分析

2.1 路径布置

管壳式换热器被国家标准局划归为全国压力容器标准后，根据规范JB4372中规定的应力分析法标准，以往进行单管板强度分析时，由于模型布管区具有对称性，只需在模型上选取几处典型路径进行强度分析［8］。本文所分析的冷凝器管板为双管板结构，且布管区不具有对称性，因此在对管板进行强度分析时，应根据应力响应云图，分别在内外管板上应力响应较大区域处选取若干条路径进行分析。图4所示为根据冷凝器原模型内外管板的应力响应所设的考核路径。

图4 管板考核路径Fig.4 Check point of the plate

2.2 结果评估

按规范JB4732-95的规定，针对压力容器按材料力学第三强度理论考核的标准，管板应力强度即指Tresca应力，则

式中:S12= σ1－ σ2;S23= σ2－ σ3;S31= σ3－ σ1;σ1，σ2，σ3为主应力。

为对比分析冷凝器双管板原模型、基准模型及不同畸变模型的应力及变形，需考察各个模型的内外管板相同路径处的Tresca应力及管板的最大变形，限于篇幅，本文只给出原模型与畸变系数λh=3的畸变模型外管板的应力云图及变形云图，如图5所示。表3和表4分别给出了原模型与基准模型的最大变形值和Tresca应力值。根据完全相似关系，原模型与基准模型的应力关系为TY=TJ，则相对误差ηT如式(2)，原模型与基准模型的变形关系为UY=3UJ，则相对误差ηU如式(3):

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图5 外管板应力及变形云图Fig.5 Nephogram of deformation and stress of the external plate

由表3和表4可知，基准模型的应力及变形响应最大误差不超过0.4%，能很好地与原模型吻合。基于原模型完全缩比后的基准模型能很好地预测原模型的力学特性。

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2.3 对比分析

由以上分析可知，基于原模型完全缩比后的基准模型能很好地预测原模型的力学特性。但是，在实际结构中，一些小的特征经过缩尺后将变得难以加工，也难以进行试验，例如冷凝器管板的管孔直径和管子直径，这时需扩大这些小尺寸，将其变为缩比后的多少倍，此时形成的新的模型称为畸变模型。由于畸变模型与原模型并不满足完全相似关系，故需通过曲线拟合来考察原模型与畸变模型的函数关系，进而通过对畸变模型试验达到预测原模型性能的目的。表5所示为各个模型内外管板相同路径处的最大变形值，表6所示为各个模型内外管板的应力值。

以原模型为基础，通过表5和表6可以得出各个畸变模型内外管板应力及变形关于原模型的平均预测系数如表7所示。图6所示为预测的原模型与畸变模型管板应力及变形的关系。

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由图6可知，相对于管板应力分析，畸变尺寸在原模型尺寸附近时，所得的畸变模型的应力值越趋于原模型应力值，应力预测的精度越高;畸变模型相对于管板变形分析，其最大变形的预测精度可以达到很高。

图6 管板应力及变形预测Fig.6 Estimated stress and deformation of plate

3 结语

本文以某舰用冷凝器双管板结构为研究对象，基于有限元数值仿真法，考察了冷凝器原模型与基准模型、原模型与各个畸变模型管板力学特性的关系，并预测畸变模型与原模型管板力学特性关系，既可为冷凝器双管板的强度特性研究提供一些有意义的参考依据，又可为冷凝器双板试验研究提供参考。通过仿真分析，得到如下结论:

1)利用有限元数值仿真法可以很好地弥补传统管板规范设计法中存在的不足，且通过有限元分析能很好地模拟非对称布管方式管板的复杂承载情况，这是传统方式不可解决的问题。

2)基于冷凝器原模型完全缩尺后的基准模型，内外管板的应力及变形响应符合完全相似关系，能很好地与原模型管板的应力及变形相吻合，可较精确地预测原模型的力学特性。

3)相对于管板应力分析，畸变尺寸在原模型尺寸附近时，所得的畸变模型的应力值越趋于原模型应力值，应力预测的精度越高;畸变模型相对于管板变形分析，其最大变形的预测精度可以达到很高。

［1］刘天丰.非对称管壳式换热器结构分析及改进中的问题研究［D］.杭州:浙江大学，2005.

LIU Tian-feng.Research on nonaxisymmetric tube and shell heat exchanger structure analysis and improvement［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2005.

［2］褚家瑞.当代管壳式和板式设备的技术进展［J］.石油化工设备，1992，2(3):3 －7.

ZHU Ja-rui.Technical progress of the modern tubular and plate equipment［J］.Petrochemical Equipment，1992，2(3):3 －7.

［3］曹纬.国外新型换热器介绍［J］.化学工程，2000，28(6):50－56.

CAO Wei.Introduction on new types of overseas heat exchangers［J］Chemical Engineering，1992，2(3):3 －7.

［4］徐珊珊，张阿漫，谢金鑫，等.舰用冷凝器非对称布管双管板结构强度评估方法研究［J］.中国舰船研究，2009，4(5):38－44.

XU Shan-shan，ZHANG A-man，XIE Jin-xin，etal.Evaluation method for structural strength of asymmetric double tube sheet of marine condenser［J］.Chinese Journal of Ship Research，2009，4(5):38 －44.

［5］OSWEI F.管板设计中的有效弹性常数概念的进展与综合［J］.丛敬同，宋伟业，译.化工设备设计，1990，27(2):42－51.

OSWEI F.Progress and comprehensive of the Progress and comprehensive in the process of the plate design［J］.CONG Jing-tong，SONG Wei－ ye，translate.Chemical Engineering Equipment Design，1990，27(2):42 －51.

［6］谢建林.瞬态载荷作用下弹塑性结构动响应相似性研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2008.

XIE Jian-lin.Research on similarity ofthe dynamic response Elastic-plastic structure under the Transient load［D］.Herbin:Harbin Engineering University，2008.

［7］兰州石油机械研究所.换热器(上册)［M］.北京:烃加工出版社，1986.

Lanzhou Petroleum Machinery Institute.Heat exchanger［M］.Berjing:hydrocarbon process press，1986.

［8］UKADGAONKER V G，KALE P A，AGNIHORTRIN A，et al.Review of analysis of tube sheets［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，1996，67(3):279 －297.

Research on mechanical characteristic of original-model and distorted-model on naval condenser

SHI Dong-yan，ZHANG Liang，ZHANG Tong-ming，ZHANG Cheng，GAO Xu-wen
(College of Mechanical and Electrical，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

To the situation that the research of structure of condenser with asymmetric layout tube is rarely，for the reason that there are many restricted condition in the experiment of the reality model，and the small feature of the size shrinkage ratio model is difficulty to made and experiment.Researching the mechanical characteristic relationship among the standard model，distorted model and original model based on the finite-element numerical simulation method.The result shows that，the mechanical character of the original model can be forecasted by the standard model accurately;the mechanical character of the original model can be forecasted by the distorted model in certain distorted size.

condenser;double tube-sheet;original model;standard model;distorted model;finiteelement analysis

U664.5

A

1672－7649(2012)03－0014－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.03.003

2011－05－05;

2011－06－02

国际科技合作项目资助(2007DFR80340);哈尔滨市科技创新专项基金资助项目(RC2008QN013001)

史冬岩(1964－)，女，博士，教授，研究方向为机械设计及理论。