Thread Content
Последнее изменение в этом посте было сделано пользователем Freestyle-sky 2 мая 2018 года в 11:15. Мы уважаем авторские права; данный текст взят с официального аккаунта WeChat «ANSYS Analysis and Design». Пример элементной анализа гибкой тонкой трубчатой пластины 【1. Определение начальной толщины пластины для расчетов】 В качестве примера рассмотрим синтетический реактор с гибкой тонкой трубчатой пластиной, как показано на рисунке ниже. Поскольку в трубах для теплообмена находится катализатор, масса которого составляет 26,2 тонны, для соединения нижней пластины труб, нижнего корпуса и корпуса самого устройства используются кольцевые отлитки, обладающие высокой прочностью. Количество теплообменных труб в этом реакторе составляет 6041. Размеры теплообменных труб — Φ38×2. Они расположены под углом 60° друг к другу, при этом расстояние между ними составляет 48 мм. Параметры проектирования, материалы и параметры термофизических свойств приведены в следующей таблице: 1. Схематическое изображение конструкции реактора с гибкими тонкими трубчатыми пластинами. Основные параметры проектирования. Параметры термофизических свойств материалов при разных температурах рассчитываются с использованием метода для гибких тонких трубчатых пластин; толщина таких пластин составляет 7,62 мм согласно методике GB/T150 ； Расчет толщины по методу SH/T3158: 6,24 мм ； Толщина рассчитывается согласно методике стандарта AD Западной Германии как 6,45 мм ； Согласно методу расчета GB/T151, значение составляет 6,14 мм. Однако учитывая большой диаметр устройства, при сварке трубчатой пластины с теплообменными трубами возникает значительная деформация, что предъявляет высокие требования к процессу производства на заводе. Кроме того, теплообменные трубы заполнены катализатором, поэтому трубчатая пластина должна выдерживать не только вес самых труб, но и вес катализатора, что оказывает сильное воздействие на её деформацию. После многократных расчетов с использованием программ для анализа элементов конструкции была выбрана толщина гибкой тонкой трубчатой пластины в 24 мм. 【2. Создание модели с использованием метода конечных элементов】 I. Упрощение модели: (1) Учитывая большие размеры всей модели и большое количество теплообменных труб, была создана симметричная модель с коэффициентом 1/12 ； (2) Для моделирования влияния массы катализатора на перегородку труб, а также проблемы согласованной деформации верхней и нижней перегородок, трубных пакетов и корпуса, была определена полная длина теплообменных труб ； (3) Предполагается, что трубчатая пластина и теплообменные трубы имеют структуру с полным проникновением сварки, они тесно соединены между собой; проблема контакта не учитывается. II. Выбор элементов сетки: (1) При проведении термического анализа для элементов теплообменных труб используются элементы Solid70 для построения сетки, а для остальных конструкций — элементы Solid90 ； (2) При анализе структурных напряжений тепловые элементы преобразуются в элементы Solid185 и Solid186 соответственно. III. Разделение сетки: (1) Весь модель разделяется на несколько частей в местах разрывов структуры, после чего с помощью метода сканирования SWEEP создается полная шестиугольная сетка ； (2) В зонах, где особенно важна оценка напряжений, используется метод SIZING для равномерного деления границ; это позволяет усовершенствовать структуру локальной сетки. Таким образом обеспечивается высокая точность расчетов при одновременном повышении их эффективности. Общее количество узлов в сетке модели составляет примерно 1,5 миллиона. IV. Нагрузка: (1) В трубчатой части и в корпусе прикладывается соответствующее проектное давление ； (2) Учитывая падение давления в катализаторном слое и статическое давление жидкостного столба, на верхнюю поверхность верхней коробки труб приложается соответствующее эквивалентное давление ； (3) Учитывать влияние собственного веса конструкции. V. Установка граничных условий: (1) На всех поверхностях при углах 0 и 30 градусов устанавливаются симметричные ограничения ； (2) На нижнюю поверхность корпуса нижней трубной коробки вводится ограничение на вертикальное смещение. 【3. Результаты анализа связи тепловой и структурной составляющих】 Как видно из графика, максимальные напряжения в верхней и нижней трубчатых пластинах составляют соответственно 174,1 МПа и 122,4 МПа; они возникают в области краев зоны размещения труб. От краев к центру зоны размещения труб напряжения снижаются постепенно. Напряжение в трубопроводной сетке состоит из двух компонентов: один из них — это первичное напряжение, возникающее под действием давления на поддерживающие пластины трубопроводной сетки ； Другая часть — это вторичные напряжения, возникающие из-за деформации трубопроводов и корпуса, что приводит к возникновению моментов и сил сдвига на краях пластины для труб. Их величина уменьшается по мере удаления от краев к центру зоны расположения труб. На расстоянии, достаточном от края, значение вторичных напряжений практически снижается до нуля. Поэтому в большей части зоны размещения труб на пластине происходит лишь локальное изгибание; отсутствует общее изгибание, вызванное моментами и силами сдвига на краях пластины. То есть в большинстве трубных пакетов действуют только первичные напряжения. Максимальные вертикальные смещения верхней и нижней трубчатых пластин составляют соответственно 16,1 мм и 5,1 мм; разница в смещениях между центром и краем трубчатой пластины невелика и не превышает 8 мм. 【4. Оценка прочности конструкции под действием напряжений】 Для более наглядного представления распределения напряжений в различных зонах синтетического реактора было определено 12 маршрутов в структуре устройства. Как следует из данных в таблице, значение напряжений в области расположения труб невелико, тогда как в крайних зонах оно выше ； Значения напряжений в переходных участках верхней и нижней трубных пластин, а также в переходном участке верхнего трубного ящика довольно велики; они обусловлены преимущественно изгибными напряжениями. Напряжения в конструкции при остальных режимах работы оцениваются с точки зрения прочности; из-за ограничений по объему они не приводятся здесь по отдельности. 【5. Оценка стабильности теплообменных труб и силы вырывания】 Оценка стабильности теплообменных труб и силы вырывания проводится в соответствии с ГБ/Т151-2014. На основе результатов расчетов с использованием метода конечных элементов можно определить максимальные осевые нагрузки в виде растяжения и сжатия, действующие на теплообменные трубы в каждом из рассматриваемых режимов работы. Согласно разделу 7.3 стандарта GB/T151-2014, допустимое осевое сжимающее напряжение теплообменных труб составляет: при расчете силы разрыва соединительного сварного шва между теплообменной трубой и трубной пластиной берется большее из значения максимальной растягивающей силы и абсолютного значения максимального сжимающего напряжения. Допустимое напряжение разрыва определяется по таблице 7-12 стандарта GB/T151-2014 и равно половине меньшего из допустимых напряжений трубной пластины и теплообменной трубы при проектной температуре; это значение составляет 56,75 МПа. В таблице 5 приведены результаты оценки стабильности теплообменных труб и силы вырывания для режимов работы 1–6. Результаты расчетов показывают, что осевые сжимающие напряжения в теплообменных трубах соответствуют условиям стабильности, а сварные соединения между теплообменными трубами и перфорированными пластинами удовлетворяют требованиям к прочности на растяжение.