扁管承压能力的有限元分析

　　0　引　言

　　管壳式换热器广泛应用于能源、动力、核能、石油、制冷、化工和加工处理等工业技术领域中,占国内换热器市场的70%左右,是应用最广泛的一种换热器[1].为了强化传热过程,提高换热设备的传热能力以提高系统的热效率、节约投资费用、提高经济效益,人们试图使用不同截面形状的管子,如长圆管、水滴管、波纹管等.但它们的承压能力是不同的.采用ANSYS软件对相同周长(外周)、相同壁厚(见图1)条件下,不同直边段和圆弧半径比的扁管与能承受最大外压力的关系进行了研究.

　　1　计算模型

　　由于扁管沿长度方向尺寸远大于扁管的长短径尺寸,在计算过程中忽略扁管的端面效应,可将该问题简化为平面应变问题,选取扁管横截面建立几何模型进行求解.由于扁管的轴向对称性,仅取1/4截面建立几何模型如图2所示.扁管材料及相关参数如表1所示。

　　扁管在相同周长(外周)、相同壁厚条件下选取了9种计算模型:

　　上述的9种计算模型的直边段和外圆弧半径比分别为:4,3.5,3,2.5,2,1.5,1,0.5,0.1;此外计算模型还选取了直边段和外圆弧半径比为0,即圆管为计算模型,其中w=0 mm,R=8.5 mm,r=9.5mm,t=1mm.计算模型中采用Quad8node 82单元划分网格.选用此实体单元来研究不同比例的扁管是符合实际的[2].

　　有限元计算中,网格的划分方法对分析结果有很大的影响.考虑到扁管的轴对称性,文中采用对应网格化的方法.位移约束:在对称面施加对称约束,直边端和圆弧端施加允许有轴向位移的简支约束.载荷约束:在模型外端施加均布压力.

　　2　计算结果及分析

　　以下分析的数值都是在只受外压的情况下进行的.把外压逐步加载到扁管所能承受的许用应力[σ]=130 MPa.

　　通过ANSYS分析[3]计算后得圆管所能承受的最大外压是14.6 MPa,其等效应力的分布云图如图3所示;而当扁管直边段和圆弧半径比分别为:4,3.5,3,2.5,2,1.5,1,0.5,0.1时,则不同型号的扁管能承受的最大压力如表2所示.

　　其中当直边段和圆弧半径比为0.1时,扁管所能承受的最大外压是6.22 MPa,由其等效应力等值线图图4可知,其最大应力区域出现在扁管的直边段中间;当直边段和圆弧半径比为0.5时,扁管所能承受的最大外压是2.05 MPa,由其等效应力等值线图图5可知,其最大应力区域也出现在扁管的直边段中间;当直边段和圆弧半径比为1时,扁管所能承受的最大外压是1.37 MPa其等效应力等值线图如图6所示,其最大应力区域出现在扁管的直边段中间;当直边段和圆弧半径比为2.5时,扁管所能承受的最大外压是0.76 MPa,其等效应力等值线图如图7所示,其最大应力区域出现在扁管的圆弧段内侧;直边段和圆弧半径比为4时,扁管所能承受的最大外压是0.57 MPa,其等效应力等值线图如图8所示,其最大应力区域亦出现在扁管的圆弧段内侧.