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Este tópico foi editado pela última vez por Freestyle-sky em 2018-5-2, às 11:15. Respeitamos a propriedade intelectual dos originais; este texto é extraído da conta WeChat “ANSYS Analysis and Design”. Exemplo de análise por elementos finitos para placas tubulares finas e flexíveis [1. Determinação da espessura inicial da placa tubular]. Tomemos como exemplo um reator composto por placas tubulares finas e flexíveis, conforme mostrado na figura abaixo. Como o tubo de troca de calor é preenchido com catalisador, seu peso chega a 26,2 toneladas. Por isso, foram utilizados peças forjadas em formato circular, que possuem maior resistência, para conectar a placa inferior do tubo, a caixa inferior dos tubos e a carcaça. O número de tubos de troca de calor no reator é 6041. As especificações dos tubos de troca de calor são Φ38×2. Eles estão dispostos em um ângulo de 60°, com um espaçamento de 48 mm entre eles. Os parâmetros de projeto, os materiais e as propriedades termofísicas estão indicados na tabela a seguir: 1. Esquema estrutural do reator com placa tubular flexível. Parâmetros de projeto básicos. As propriedades termofísicas dos materiais em diferentes temperaturas são calculadas utilizando o método de cálculo para placas tubulares flexíveis; a espessura resultante é de 7,62 mm, segundo o método GB/T150 ； A espessura de 6,24 mm foi calculada segundo o método SH/T3158 ； A espessura de 6,45 mm foi calculada de acordo com o método de normas da Alemanha Ocidental ； De acordo com o método de cálculo GB/T151, o valor é de 6,14 mm. No entanto, considerando que o diâmetro desse equipamento é grande, a soldagem entre a placa de tubos e os tubos de troca de calor provoca uma grande deformação. Isso exige padrões elevados no processo de fabricação pela fábrica. Além disso, como os tubos de troca de calor estão repletos de catalisador, a placa de tubos precisa suportar não apenas o peso dos próprios tubos, mas também o peso do catalisador. Isso acaba causando uma grande deformação na placa de tubos. Após vários cálculos realizados com softwares de elementos finitos, foi decidido que a espessura da placa de tubos flexível deveria ser de 24 mm. 【2. Criação do modelo de elementos finitos】 I. Simplificação do modelo: (1) Considerando que o tamanho total do modelo é grande e que há muitos tubos de troca de calor, foi criado um modelo de elementos finitos simétrico em escala 1/12 ； (2) Para simular o impacto do peso do catalisador no painel de tubos, bem como os problemas relacionados à deformação dos painéis superior e inferior, dos feixes de tubos e da carcaça, foi determinado o comprimento total dos tubos de troca de calor ； (3) Supõe-se que a placa de tubos e os tubos de troca de calor tenham uma estrutura completamente soldada, estando firmemente unidos entre si; não se leva em consideração o problema de contato entre eles. II. Escolha das células: (1) Durante a análise térmica, os tubos de troca de calor são divididos em malhas usando as células Solid70, enquanto as demais estruturas são divididas em malhas utilizando as células Solid90 ； (2) Ao realizar a análise de esforços estruturais, as unidades térmicas são convertidas, respectivamente, em unidades Solid185 e Solid186. III. Divisão da malha: (1) Todo o modelo é dividido em vários elementos nas áreas onde as estruturas são descontínuas, e o método de divisão por varredura SWEEP é utilizado para criar a malha hexaédrica completa ； (2) Nas áreas onde a tensão é especialmente importante, utiliza-se o método SIZING para dividir as bordas em partes iguais, detalhando assim a malha local. Isso permite melhorar a eficiência dos cálculos, mantendo ao mesmo tempo a precisão dos resultados. A malha total do modelo possui aproximadamente 1,5 milhão de nós. IV. Aplicação da carga: (1) A pressão de projeto correspondente é aplicada separadamente no lado do tubo e no lado do casco ； (2) Considerando a queda de pressão no leito catalítico e a pressão estática da coluna líquida, aplica-se uma pressão equivalente na superfície superior da caixa superior ； (3) Considerar a influência do peso próprio da estrutura. V. Aplicação das condições de borda: (1) São aplicadas restrições simétricas em todas as superfícies, nos ângulos de 0 graus e 30 graus, respectivamente ； (2) Impor restrições de deslocamento na direção vertical na superfície inferior do corpo do tubo inferior. 【3. Resultados da análise de acoplamento estrutural térmico】 Como pode ser visto no gráfico, as maiores tensões nas placas superiores e inferiores são de 174,1 MPa e 122,4 MPa, respectivamente. Essas tensões ocorrem nas áreas marginais das regiões onde os tubos estão dispostos. A partir dessas áreas marginais, a tensão diminui de forma gradual em direção ao centro da região onde os tubos estão localizados. A tensão no feixe de tubos é composta por duas partes: uma delas é a tensão primária causada pela pressão nas placas de suporte dos tubos ； Outra parte refere-se às tensões secundárias causadas pela deformação dos tubos e do invólucro, o que gera momentos fletores e esforços de cisalhamento nas bordas da placa de tubos. Esses valores diminuem de forma irregular à medida que se avança do perímetro até o centro da área onde os tubos estão dispostos. A uma certa distância da borda, o valor da tensão secundária diminui praticamente até zero. Portanto, na maior parte da área onde estão dispostos os tubos, ocorre apenas uma curvatura local; não há curvatura geral causada pelos momentos e esforços de cisalhamento nas bordas da placa de suporte dos tubos. Ou seja, na maioria dos conjuntos de tubos, existe apenas uma tensão. Já os deslocamentos máximos na direção vertical das placas superiores e inferiores são de 16,1 mm e 5,1 mm, respectivamente. A diferença de deslocamento entre o centro e as bordas das placas é pequena, não ultrapassando 8 mm em nenhum caso. 【4. Avaliação da resistência à tensão estrutural】 Para visualizar de maneira mais clara a distribuição das tensões em diferentes áreas do reator sintético, foram definidos 12 caminhos na estrutura. De acordo com os dados apresentados, os valores de tensão na placa dos tubos são menores na área onde se encontram os tubos, enquanto nos cantos esses valores são maiores ； Os valores de tensão nas regiões de transição entre as placas superiores e inferiores, bem como nas regiões de transição da caixa superior, são elevados, sendo causados principalmente por tensões de flexão. A tensão na estrutura em todos os outros casos foi avaliada em termos de resistência; por limitações de espaço, não são listados individualmente aqui. 【5. Avaliação da estabilidade e da força de extração dos tubos de troca de calor】 A estabilidade e a força de extração dos tubos de troca de calor são avaliadas de acordo com a norma GB/T151-2014. Com base nos resultados dos cálculos por elementos finitos, é possível determinar a maior força de tração e a maior pressão axial nas tubulações de troca de calor em cada condição operacional. De acordo com a seção 7.3 da norma GB/T151-2014, a tensão axial admissível para os tubos de troca de calor é a seguinte: ao calcular a força de tração nas soldas que conectam os tubos de troca de calor à placa de suporte, utiliza-se o valor maior entre a força de tração máxima e o valor absoluto da pressão máxima. A tensão admissível de tração é determinada com base na tabela 7-12 da norma GB/T151-2014; esse valor corresponde a metade da menor tensão admissível entre a placa de suporte e os tubos de troca de calor, sob as condições de temperatura de projeto. Esse valor é de 56,75 MPa. A Tabela 5 apresenta os resultados da avaliação da estabilidade dos tubos de troca de calor e da força de tração nos cenários 1 a 6. Os resultados dos cálculos mostram que as tensões axiais nas tubulações de troca de calor atendem às condições de estabilidade, e que as soldas entre as tubulações de troca de calor e as placas de suporte satisfazem aos requisitos de resistência à tração permitidos.