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Este mensaje fue editado por última vez por Freestyle-sky el 2 de mayo de 2018, a las 11:15. Se respeta la propiedad intelectual del contenido original; este texto proviene de la cuenta oficial WeChat “ANSYS Analysis and Design”. Ejemplo de análisis por elementos finitos para placas tubulares delgadas y flexibles [1. Determinación del espesor inicial de cálculo de la placa tubular]. Tomemos como ejemplo un reactor compuesto por placas tubulares delgadas y flexibles, como se muestra en la imagen a continuación. Dado que los tubos de intercambio de calor están rellenos de catalizador y su peso es de 26,2 toneladas, se eligieron piezas forjadas en forma de anillo, capaces de soportar grandes cargas, para unir la placa inferior del tubo, la caja inferior del tubo y la carcasa. El número de tubos de intercambio de calor en este reactor es 6041. Las especificaciones de los tubos son Φ38×2. Los tubos están dispuestos en un ángulo de 60°, con una distancia entre ellos de 48 mm. Los parámetros de diseño, los materiales y las propiedades termofísicas se indican en la tabla a continuación: 1. Esquema estructural del reactor con placa tubular delgada flexible. Parámetros de diseño básicos. Las propiedades termofísicas de los materiales a diferentes temperaturas se calculan utilizando el método de cálculo para placas tubulares delgadas flexibles; el espesor resultante es de 7,62 mm, según el método GB/T150 ； Calcular el espesor según el método SH/T3158: 6,24 mm ； Según el método de cálculo de las normas AD de Alemania Occidental, el espesor es de 6,45 mm ； Según el método de cálculo GB/T151, el valor es de 6,14 mm. Sin embargo, teniendo en cuenta que el diámetro de este equipo es bastante grande, la soldadura entre la placa de tuberías y los tubos de intercambio térmico provoca una gran deformación. Esto impone requisitos elevados al proceso de fabricación en la planta productora. Además, como los tubos de intercambio térmico están rellenos de catalizador, la placa de tuberías debe soportar no solo el peso de los tubos, sino también el peso del catalizador. Esto tiene un efecto significativo en la deformación de la placa. Tras numerosos cálculos realizados con software de elementos finitos, se decidió que el espesor adecuado para esta placa flexible es de 24 mm. 【2. Creación del modelo de elementos finitos】 I. Simplificación del modelo: (1) Dado que el tamaño total del modelo es grande y hay una gran cantidad de tubos de intercambio de calor, se creó un modelo de elementos finitos simétrico a escala 1/12 ； (2) Para simular el efecto del peso del catalizador en la placa de tuberías, así como los problemas relacionados con la deformación de las placas superior e inferior, de los grupos de tuberías y de la carcasa, se determinó la longitud total de los tubos de intercambio de calor ； (3) Se supone que la placa de tuberías y los tubos de intercambio térmico tienen una estructura completamente soldada, estando estrechamente unidos entre sí; no se tiene en cuenta el problema de contacto. II. Selección de elementos: (1) Al realizar el análisis térmico, los tubos de intercambio de calor se dividen en mallas utilizando elementos Solid70, mientras que el resto de las estructuras se dividen en mallas con elementos Solid90 ； (2) Al realizar el análisis de esfuerzos estructurales, las unidades térmicas se convierten respectivamente en unidades Solid185 y Solid186. III. División de la malla: (1) Todo el modelo se divide en varias partes en los puntos donde las estructuras son discontinuas, y se utiliza el método de muestreo SWEEP para dividir toda la malla hexaédrica ； (2) En las áreas donde el esfuerzo es especialmente importante, se utiliza SIZING para dividir los bordes en partes iguales y así refinar la malla local. De este modo, se logra mejorar la eficiencia de los cálculos, manteniendo al mismo tiempo la precisión en los resultados. La malla total del modelo cuenta con aproximadamente 1,5 millones de nodos. IV. Aplicación de la carga: (1) Se aplica la presión de diseño correspondiente en el lado del tubo y en el lado de la carcasa, respectivamente ； (2) Teniendo en cuenta la caída de presión en el lecho catalítico y la presión estática de la columna líquida, se aplica una presión equivalente en la superficie superior del cajón superior ； (3) Considerar el efecto del peso propio de la estructura. V. Imposición de las condiciones de contorno: (1) Se imponen restricciones simétricas en todas las caras a 0 grados y 30 grados, respectivamente ； (2) Se aplica una restricción de desplazamiento en dirección vertical en la superficie inferior del cuerpo del tubo inferior. 【3. Resultados del análisis de acoplamiento térmico estructural】 Según se puede observar en el gráfico, las tensiones máximas en las placas superiores e inferiores son de 174,1 MPa y 122,4 MPa respectivamente. Estas tensiones se producen en las zonas periféricas donde se encuentran los tubos. A medida que nos alejamos de los bordes hacia el centro de dichas zonas, la tensión disminuye de forma gradual. La tensión en el conjunto de tuberías está compuesta por dos partes: una es la tensión primaria causada por la presión en las placas de soporte de las tuberías ； Otra parte corresponde a las tensiones secundarias que se generan debido a la deformación de los tubos y de la carcasa, lo cual provoca momentos flectores y esfuerzos cortantes en los bordes de la placa de tuberías. Estos valores disminuyen de forma gradual desde los bordes hacia el centro de la zona donde se encuentran las tuberías. A una distancia suficiente del borde, el valor de la tensión secundaria disminuye prácticamente hasta cero. Por lo tanto, en la mayor parte de la zona donde se encuentran los tubos en la placa de tuberías, solo existe una curvatura local; no hay curvación generalizada causada por los momentos y esfuerzos cortantes en los bordes de la placa. En otras palabras, en la mayoría de los grupos de tuberías solo existe una tensión primaria. Mientras que los desplazamientos máximos en la dirección vertical de las placas superiores e inferiores son de 16,1 mm y 5,1 mm respectivamente; la diferencia entre el desplazamiento en el centro de las placas y en sus bordes es pequeña, no excediendo los 8 mm en ningún caso. 【4. Evaluación de la resistencia a las tensiones estructurales】 Para poder observar de manera más clara la distribución de las tensiones en las diferentes zonas del reactor compuesto, se definieron 12 rutas en su estructura. Según los datos presentados en la tabla, los valores de tensión en la placa de tuberías son bajos en las zonas donde se encuentran las tuberías, mientras que son más altos en las zonas periféricas ； Los valores de estrés en las zonas de transición entre las placas superiores e inferiores, así como en la zona de transición del cajón superior, son elevados; estos valores se deben principalmente a las tensiones por flexión. Las tensiones en la estructura en las demás condiciones operativas han sido evaluadas en términos de resistencia; debido a limitaciones de espacio, no se enumeran aquí una por una. 【5. Evaluación de la estabilidad y la fuerza de extracción de los tubos de intercambio térmico】 La estabilidad y la fuerza de extracción de los tubos de intercambio térmico se evalúan de acuerdo con las normas GB/T151-2014. Según los resultados de los cálculos por elementos finitos, se puede determinar la mayor fuerza de tracción y presión axial en las tuberías de intercambio de calor para cada condición operativa. De acuerdo con la sección 7.3 de la norma GB/T151-2014, la tensión axial admisible para los tubos de intercambio térmico es la siguiente: al calcular la fuerza de separación en las soldaduras que unen los tubos de intercambio térmico con la placa de soporte, se toma el valor más alto entre la fuerza de tracción máxima y el valor absoluto de la presión máxima. La tensión admisible de separación se obtiene según la tabla 7-12 de la norma GB/T151-2014; este valor corresponde a la mitad del valor mínimo de la tensión admisible para la placa de soporte y los tubos de intercambio térmico a la temperatura de diseño. Dicho valor es de 56,75 MPa. La Tabla 5 muestra los resultados de la evaluación de la estabilidad y de la fuerza de extracción de los tubos de intercambio de calor en las condiciones 1 a 6. Los resultados de los cálculos indican que las tensiones axiales en los tubos de intercambio térmico cumplen con las condiciones de estabilidad, y que las soldaduras entre los tubos de intercambio térmico y las placas de soporte satisfacen los requisitos de resistencia a la tracción permitida.