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換熱器是廣泛應(yīng)用于化工、動(dòng)力、醫(yī)藥、冶金、制冷、輕功等行業(yè)的一種通用設(shè)備，管殼式換熱器制造容易，生產(chǎn)成本低，選材范圍廣，清洗方便，適應(yīng)性強(qiáng)，處理量大，工作可靠，且能適應(yīng)高溫高壓，在化工、石油、能源等行業(yè)的應(yīng)用中處于主導(dǎo)地位。封板是換熱器中的關(guān)鍵元件，其受力情況相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度cae分析是一個(gè)全新的課題。經(jīng)典算法求解封板的應(yīng)力非常煩瑣，而且難以提出一個(gè)普遍應(yīng)用的公式用以計(jì)算各種情況下的危險(xiǎn)應(yīng)力。有限元算法提供了一種全新的解決方案，通過建立仿真模型大大提高了計(jì)算結(jié)果的正確性。以某非標(biāo)法蘭封板為研究對(duì)象。
根據(jù)非標(biāo)法蘭封板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程要求，進(jìn)行單元類型選擇、材料參數(shù)的確定、幾何建模和單元生成。慮到結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，取非標(biāo)法蘭封板及其部分筒體的1/4建立有限元分析模型。
1)單元類型。結(jié)構(gòu)采用SOLID95 3D八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45的高階單元，他能夠吸收不規(guī)則形狀的單元而精度沒有損失。SOLID95單元有可并立的位移形狀并且能很好地適應(yīng)曲線邊界的模型，具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變功能。單元選項(xiàng):單元坐標(biāo)系、額外單元輸出選項(xiàng)、額外表面輸出選項(xiàng)、積分原則。
2)材料屬性。封板采用壓力容器常用鋼種16MnR。
為了提高計(jì)算精度，采用VSWEEP體掃略網(wǎng)格劃分六面體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格既可以是線性的(無中節(jié)點(diǎn))、也可以是二次的(有中節(jié)點(diǎn))。對(duì)于復(fù)雜幾何實(shí)體，經(jīng)過一些簡(jiǎn)單的切分處理，就可以生成規(guī)整的六面體網(wǎng)格。
體掃略網(wǎng)格要滿足的條件：
1)切分體避免體內(nèi)有內(nèi)腔，或者體內(nèi)有空洞。即掃略的過程必須是連續(xù)的。假如不連續(xù)，可以將大體積切分成若干個(gè)小體積，分別網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行VGLUE即可。
2)定義合適的單元。SOLID 95對(duì)應(yīng)的熱單元是SOLID90，SOLID90是三維的8節(jié)點(diǎn)熱單元SOLID70的高階形式，20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)溫度自由度，尤其適用于描述彎曲的邊界。
3)設(shè)置掃略方向的單元數(shù)目或單元尺寸。可以用esize，extopt，lesize，lmesh，desize等，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，采用lesize控制單元數(shù)目。封板的網(wǎng)格劃分模型)溫度場(chǎng)分析。封板上下表面分別為外界溫度和殼程溫度，存在溫差，需要考察其溫度應(yīng)力分布情況。采用穩(wěn)態(tài)熱分析數(shù)學(xué)模型。
封板的溫度場(chǎng)。其溫度載荷在計(jì)算后存儲(chǔ)于相應(yīng)的RTH文件中，結(jié)構(gòu)分析時(shí)直接讀入即可。
2)應(yīng)力場(chǎng)分析。主要考慮封板的應(yīng)力分布規(guī)律，殼程筒體橫截面約束軸向位移，結(jié)構(gòu)縱向?qū)ΨQ面施加對(duì)稱約束，外壁受大氣壓力，內(nèi)壁受殼程壓力，螺栓孔受螺栓的拉力，墊片(密封圈)受壓力。
3)載荷分析。根據(jù)換熱器的實(shí)際操作情況，共考慮了以下幾種載荷：殼程壓力、螺栓孔受力、墊片比壓力等。
在連接處厚度方向上取線性化路徑，將路徑上應(yīng)力強(qiáng)度線性化分解出薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。
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