板翅式换热器正交接管封头塑性压力研究.pdf

设计计算
板翅式换热器正交接管封头塑性压力研究
王伟,邹先平
(福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350108)
摘要:针对板翅式换热器正交接管封头的强度设计问题,给出了基于比率塑性功曲率( Ratio plas
tic work curvature,RPWC)准则塑性压力计算方法,并利用弹性应カ分析设计准则对封头在许用压
カ作用下的强度校核。对某工业封头的塑性压力及其许用压力算例分析表明,比率塑性功曲率峰
值确定RPWC准则塑性压力具有唯一性,克服了两倍弹性斜率准则需凭经验选择变形参数的缺
点;许用压力作用下的封头强度满足弹性应力分析设计准则。基于RPWC准则的方法是板翅式换
热器正交接管封头塑性压力计算的有效方法。
关键词:极限压力;分析谖计;比率塑性功;应力分类法;换热器封头
中图分类号:TH123;1TE965文献标识码:A文章编号:1001-4837(2012)06-0029-05
doi:10.3969/j.isn.1001-4837.2012.06.006
Research on the Plastic Limit Pressure of the Plate-fin Heat
Exchanger Header with Radial Nozzle
WANG Wei, ZOU Xian-ping
(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)
Abstract: To investigate the strength design of the plate-fin heat exchanger header with radial nozzle, the
calculation procedure of plastic pressure based on RPWC criterion(Ratio Plastic Work Curvature )is
presented, and the strength of the header under allowable pressure is checked by using the elastic stress
categorization code. The results of plastic pressure and allowable pressure for the industrial header exam-
ple show that the RPWC plastic pressure determined by the curvature peak of ratio plastic work is unique
and the calculation procedure of RPWC plastic load is advantageous of overcoming the dependence prob
lem of TIS(Twice Elastic Slope criterion on users'experience to select an appropriate deformation pa
rameter; the strength of the header under the allowable pressure meets the elastic stress categorization
code. The proposed RPWC based calculation method is an effective approach to calculating the plastic
pressure of the plate-fin heat exchanger header
Key words: limit pressure; design by analysis; ratio plastic work; stress classification method; heat ex
changer header
基金项目:福建省自然科学基金(2011J01298
CPVT
板翅式换热器正交接管封头塑性压力研究
Vol29.No62012
载荷位置点。比率塑性功R。为塑性功与总功
0引言
塑性功与弹性功之和)之比,其曲率反映塑性功
所占总功百分比变化率改变的快慢程度。典型应
板翅式换热器结构紧凑、质轻、传热效率高,变硬化材料的比率塑性功一载荷曲线及其曲率叠
广泛应用于各个领域"2。封头及接管部件是工加曲线如图1所示。
作介质流人和流出换热器芯体的必要通道,其受
载复杂和结构多变?,封头应力准确计算和强度
设计是板翅式换热器开发中待解决的一项关键技
术
最大曲率峰值
针对压力容器的分析设计主要有两类方法
弹性应力分类法和直接法“。应力分类法应用
:塑性域
的难点在于如何进行应力分类,郭崇志等研究
0.5,W,=W
了大型薄壁容器壳单元模型应力分类的应力线性
化问题,指出壳单元进行应力评价的简化估算方
弹性域
法; Porter等?针对板/壳单元薄壳模型的弹性应
屈服点
塑性载荷点
力分析问题,给出了应力分类的具体步骤。直接
载荷
法是弹塑性分析与塑性设计准则相结合的方法,
用于确定容器在载荷作用下的极限承载能力。常
用的塑性设计准则有两倍弹性斜率准则( Twice
图1比率塑性功一载荷曲线
Elastic Slope,TES),以危险点处变形作为反映结
构整体塑性失效的指标,该准则较保守?。
R总体随载荷增量的加大而增加,曲线斜率
Mackenzie等部提出的塑性功曲率( Plastic work在加载过程中始终保持大于等于零。坐标系中,
curvature,PWC)准则以塑性功曲率作为结构整体以Rp=0.5线以下定义为弹性域,弹性域中,塑
塑性失效的指标,较两倍弹性斜率准则有较多优性功小于弹性功,比率塑性功及其曲率在首次屈
点,该准则以载荷一比率塑性功曲线上曲率为零服点之前皆为零,载荷増量超过屈服极限之后,比
或接近于零处的载荷作为塑性载荷,但曲率最小率塑性功曲线上凹,斜率随载荷增加而递增;R
点附近具有较长的平滑曲线段,最小曲率点较难=0.5线以上定义为塑性域,塑性域中,塑性功大
确定。为此, Camilleri等?提出针对PWC准则的于弹性功,比率塑性功曲率曲线下凹,斜率递减。
改进准则:比率塑性功曲率( Ratio plastic work弹性域与塑性域交界线与曲线的交点是斜率由递
curvature,RPWC)准则,其塑性压力判断方法简便增转为递减的拐点,对应的曲率为零。塑性域中
直观,该准则已在不带接管和带接管半球形封头曲率达到峰值之前,尽管比率塑性功一载荷曲线
极限载荷计算中得到应用"?。
斜率递减,但比率塑性功仍有明显增加;越过曲率
针对板翅式换热器封头强度的应力分析设计峰值点后,比率塑性功增加较缓慢,随载荷增加而
问题,给出了基于RPWC准则的极限载荷计算方无限接近1。因此,可以将塑性域曲率峰值点看
法,计算了应变硬化分析下封头的塑性压力及许作压力容器塑性垮塌失效的临界点,对应的载荷
用压力,并利用弹性应力分类法对所得许用压力为 Camilleri等定义的RPWC准则塑性载荷。
下封头进行强度校核,以验证该计算方法的可靠