一种换热器内异型孔板材料参数的等效方法与流程

本发明涉及数值分析领域，尤其是一种换热器内异型孔板材料参数的等效方法。

背景技术：

在石油石化生产过程中，管壳式换热器是最常用的设备，也是最容易发生失效的设备。据不完全统计，由于换热器管板与换热管连接，导致各种过程气泄漏和停修造成的经济损失达数亿元。因此，仿真模拟温度场下换热器的形变情况，为换热器连接结构的密封性能和强度的研究提供技术支撑，具有重大的工程应用价值。

换热器中存在诸多管束组件及开孔结构部件，对管束组件及开孔结构部件应力分析，如完全按照实际图纸建模，会带来巨大的计算量，同时管束与支撑板之间的诸多的接触面，同样会降低计算精度。因此需采用等效的方法将多孔板进行简化处理。

对于多孔板等效的问题，国内相关专利研究相对较少，相似的研究或通过有限元应力分析进行求解，或通过将多孔板分片求解，这些方法仅适用于结构相对简单的模型，不适用于求解孔数量较多且具有一定厚度的多孔板的弹性常数，且多个子片域的拼接对于计算结果的精度会产生一定的影响。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种适用于换热结构内部具有异型孔的多孔板材料参数的等效方法，通过理论计算求解将多孔板等效成当量实心板后的等效弹性参数，并通过仿真与试验验证该等效弹性参数的正确性。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种应用于异型孔板的等效方法，包括以下步骤：

(a)确定多孔板的初始弹性模量、泊松比及尺寸参数；

(b)计算多孔板的孔间带系数及厚度比；

其中，孔间带系数

厚度比为

d^*为等效孔直径，t为多孔板厚度，p为孔排列节距；

等效孔直径

δl为相邻异型孔最小间距；

d1为异型孔有效直径

(c)计算等效的当量实心板的等效弹性模量和等效泊松比；

其中：

e^*为等效弹性模量；

v^*为等效泊松比；

e为初始弹性模量；

a0～a8和b0～b8由压力容器规范确定；

(d)建立有限元模型，并依据试验结果施加边界条件，进行温度场变形分析。

进一步地，所述异型孔为中心对称的多叶孔型，优选为梅花三叶孔。

进一步地，还包括以下步骤：(e)将模拟数据与试验数据进行比对，验证所述当量实心板等效参数的正确性。

进一步地，步骤(d)中，所述温度场变形分析分为升温阶段和降温阶段进行。

进一步地，步骤(d)中仿真的目标参数包括变温时的最大角位移。

技术效果

本发明针对有限元计算过程多孔板模型难以处理，计算规模大的问题，采用基于孔间带系数和厚度比，将换热结构异型孔板等效成当量实心板的方法，计算出对应当量实心板的等效弹性常数，有效的降低异型孔板计算模型的处理难度，提高了计算效率。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较优实施例中的多孔板1/4模型孔的示意图；

图2是图1实施例的中多孔板梅花三叶孔的排列方式示意图；

图3是图1实施例中梅花三叶孔的结构尺寸示意图

图4是图1实施例中经等效后的当量实心板的示意图；

图5是图1实施例中利用当量实心板建模的模型图；

附图标记：1-当量实心板。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中提供了一种换热器内梅花三叶孔板材料等效为当量实心板进行有限元分析的方法。

首先依据多孔板的孔直径、孔排列节距、板厚等参数，由公式(1)(2)(3)求得相应的孔间带系数和厚度比。等效前的多孔板的结构如图1所示，其模型孔为梅花三叶孔异形孔，其排列方式由图2给出，梅花三叶孔的具体尺寸由图3给出。

其次，根据求得的孔间带系数和厚度比等参数，依据公式(4)(5)计算出当量实心板在各温度下的等效弹性模量及等效泊松比，见表1和表2，等效后的当量实心板模型结构如图4所示。

表1多孔板原始材料常数

表2当量实心板材料常数

如图5所示，建立换热器有限元模型，多孔板采用等效后的当量实心板代替，按照正常试验工况，施加相对应的边界条件(对流换热系数及环境温度等)进行温度场分析，提取温度场分析计算结果，进行应力及变形分析，计算出对应温度场下的变形，将变形值依据三角函数关系转换成角度值。

最后将有限元仿真计算结果与正常试验工况下的试验结果进行对比分析，如表3所示仿真值与试验值误差最大在5％，验证了当量实心板等效弹性常数的有效性。

表3换热器正常热处理试验工况下有限元计算值与试验值比较

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。