[發明專利]一種板翅式換熱器的蠕變疲勞強度設計方法

有效

• 申請號: 201610984992.5
• 申請日: 2016-11-09
• 公開（公告）號: CN106503390B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 蔣文春;葛磊;張玉財;鞏建鳴;涂善東;解學方
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 淄博佳和專利代理事務所37223
• 代理人: 張雯

技術領域

一種板翅式換熱器的蠕變疲勞強度設計方法，屬于換熱器技術領域。

背景技術

隨著科技的發展，能源消耗也越來越多，節能減排，提高能源的利用率就成為人們關注的焦點。換熱設備，作為高溫系統的核心一員，不僅僅要求具有高效的換熱性能，而且要求有緊湊的結構。但是，現有的換熱設備，多為管殼式換熱器，占用體積大，換熱效率低，難以滿足在航空航天、高溫氣冷堆、燃氣輪機等領域的要求。

板翅式換熱器具有結構緊湊，換熱效率高的特點，研究板翅式換熱器很有前景。然而，板翅式換熱器的服役環境越來越惡劣，高溫高壓的環境使得板翅式換熱器的設計要求越來越高。在高溫、交變載荷下服役，破壞模式與時間相關，現有的壓力容器設計規范局限于管殼式換熱器，以彈塑性破壞理論為基礎，未考慮蠕變與疲勞破壞的特點，沒有涉及釬焊過程、服役環境等因素的影響，不能直接用于板翅式換熱器的設計。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種能夠結合釬焊過程、服役環境、失效位置等進行板翅式換熱器高溫強度設計的板翅式換熱器的蠕變疲勞強度設計方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：該板翅式換熱器的蠕變疲勞強度設計方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1，根據設計溫度、設計壓力要求對板翅式換熱器結構進行初步設計，并明確板翅式換熱器的工作溫度、運行循環次數以及服役壽命；

步驟2，通過有限元軟件進行板翅結構一次應力分析，確定應力集中部位，并確定許用應力；

步驟3，判斷應力集中部位的應力水平是否滿足如下條件：

；；

其中，為一次薄膜應力，為局部薄膜應力，為一次彎曲應力，為與時間有關的許用應力，的取值范圍為1.05~1.16；

若滿足條件，則執行步驟4；若一次應力評定不滿足條件，則改變板翅式換熱器芯體的結構、板材厚度，返回步驟2；

步驟4，在服役環境下，對板翅結構進行蠕變斷裂實驗和疲勞實驗，對老化母材進行蠕變斷裂實驗和疲勞實驗，計算應力放大系數和應變放大系數，并根據實驗結果對母材的疲勞設計曲線和蠕變斷裂設計曲線進行修正；

，，

其中，、分別為相同蠕變斷裂時間下母材和板翅結構的蠕變斷裂強度，

、分別為相同疲勞壽命下母材和板翅結構的宏觀應變范圍；

步驟5，獲取板翅結構的等效力學參數和等效熱物性參數，從而對板翅式換熱器進行熱疲勞有限元分析，得出板翅式換熱器芯體沿高度方向的宏觀應力的時間歷程，計算釬角處總應變，

，

其中，為由一次應力分析所得應力范圍得出的應變范圍；

為熱疲勞分析所得宏觀應力的最大值與最小值的差值與板翅式換熱器芯體高度方向彈性模量的比值；

步驟6，計算板翅式換熱器芯體的疲勞損傷和蠕變損傷，

，

其中， 為疲勞周期數，

為修正后的疲勞設計曲線上，應變范圍為ε時對應的疲勞壽命；

，

其中，為疲勞周期數，

為應變保持時間，

為t時刻的宏觀應力，

為修正后的蠕變斷裂設計曲線上，應力為σ時對應的蠕變斷裂壽命；

步驟7，如果小于1，則執行步驟8；如果大于等于1，則執行步驟1；

步驟8，板翅式換熱器設計完成。

優選的，步驟2和步驟3中所述的許用應力包括翅片區許用應力以及封條區許用應力。

優選的，步驟5中所述的獲取板翅結構的等效力學參數和等效熱物性參數包括如下步驟：

a，將板翅式換熱器芯體劃分為多個形狀相同的板翅胞元；

b，將板翅胞元等效成均勻固態板；

c，獲取一個板翅胞元的等效力學參數和等效熱物性參數，從而獲得整個板翅式換熱器芯體的等效力學參數和等效熱物性參數。

優選的，所述的等效力學參數包括各向異性等效彈性模量、等效剪切模量、泊松比；所述的等效熱物性參數包括等效導熱系數、等效熱膨脹系數、等效密度和等效比熱。

優選的，所述的各向異性等效彈性模量的計算公式如下：

以板翅式換熱器前側底部的中點為原點，以水平面內與流道軸線平行的方向為x軸，垂直于流道軸線的方向為y軸，豎直方向為z軸建立坐標系，

，

，

，

其中，、、分別為x軸、y軸、z軸方向的等效彈性模量，

為母材的彈性模量，

d為板翅式換熱器芯體的流道上側的寬度，