硫磺冷凝器温度场应力场耦合分析计算

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硫磺冷凝器是石化企业的重要设备之一,其主要功能是将过程气中的气态硫冷凝回收。对硫磺冷凝器进行温度场和应力场的耦合分析,有助于改善冷凝器的结构和操作工艺,对节约材料和能源、实现安全连续生产具有重要作用。 硫磺冷凝器属于固定管板式换热器,结构复杂,几何尺寸庞大,如果采用实体单元建模,得到的有限元模型和求解矩阵规模非常大,几乎不能应用于PC机上。本文应用通用商业有限元软件ANSYS,灵活应用ANSYS提供的各种结构单元和热单元进行建模,在保证计算精度的基础上,减小了计算规模。温度场分析采用SOLID70单元,对热影响区内的管板和部分换热管、壳体进行对流换热条件下的稳态温度场分析,并建立管板与换热管的单元模型,得到了换热管壁温的温度分布。应力场分析采用SOLID45实体单元模拟热影响区,加载温度场的分析结果作为温度载荷;热影响区外的壳体采用SHELL63壳单元模拟,换热管采用BEAM188梁单元模拟,并加载单元模型计算结果作为温度载荷;出口端管板采用SHELL63单元模拟,根据等效管板理论计算其强度减弱系数,通过定义减弱了的材料常数把出口端管板作为无孔当量板进行计算。同时引入TARGE170,CONTA173和CONTA175接触单元,采用MPC(内部多点约束)方法连接梁单元换热管与实体单元换热管;采用SHSD(壳—实体装配)耦合方法连接壳单元的壳体和实体单元壳体,从而实现不同单元间的载荷传递和变形协调。 根据求解得到的硫磺冷凝器的稳态温度场和应力场,定义了典型路径,进行结果路径分析,取得了硫磺冷凝器的稳态温度场和应力场的分布特征。
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