[发明专利]一种直截面外导流筒体的应力和刚度计算方法及系统

说明书

本发明提供了一种直截面外导流筒体的应力和刚度计算方法及系统，首先根据直截面外导流筒体对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型；其次根据所述1/2对称力学模型构建直截面外导流筒体的径向位移以及转角公式；然后根据径向位移以及转角公式构建4阶矩阵方程并求解，获得矩阵解；最后基于矩阵解确定直截面外导流筒体的应力和轴向刚度。本发明建立的1/2对称力学模型不仅考虑了直截面外导流筒体对称结构特点和真实载荷条件，还考虑了非连续结构边界影响，将直截面外导流筒拆分三个基本元件进行受力分析，通过精确板壳理论解求得直截面外导流筒轴向刚度，进一步提高了计算外导流筒体的应力和刚度的准确性。

技术领域

本发明涉及换热器参数设计技术领域，特别是涉及一种直截面外导流筒体的应力和刚度计算方法及系统。

背景技术

换热器是石油、化工、电力大量使用的传热设备，为了更好的分布入口流体，提高传热效率，常在换热器壳程设置外导流筒体，直截面外导流筒体由于加工制造方便，近年来成为优先选择结构之一。

如图2所示，目前直截面外导流筒体由三个基本元件组成：端板1，外壳体2和内壳体3。然而国内外设计过于简化和盲目，无法客观评价导流筒的应力强度失效和安全状况，轴向刚度计算的忽视或者不科学给整个换热器带来的安全隐患，具体问题如下：1、目前工程方法仅计算内压下外壳体和壳程筒体的强度，仅计算出连续结构的一次应力强度，即远离非连续区的筒体强度。2、而外导流筒为非连续结构，内壳体、外壳体与端板之间连接部位为几何突变区域，结构不连续导致高应力区，而高应力区才是结构危险部位，忽视危险部位评价将带来安全隐患。3、当前方法端板的强度靠其与外壳体的厚度比值来保证，没有科学依据，过于盲目，是另一个安全隐患。4、换热器壳体的轴向刚度直接影响换热器管板、管束等关键元件的强度计算。而直截面外导流筒体的出现改变了换热器壳体轴向刚度，在我国GB/T`16749《压力容器波形膨胀节》中提供的方法属于近似修正方法，也不够准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种直截面外导流筒体的应力和刚度计算方法及系统，以提高计算应力和刚度的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种直截面外导流筒体的应力和刚度计算方法，所述方法包括：

步骤S1：根据直截面外导流筒体对称结构特点和真实载荷条件，建立1/2对称力学模型；

步骤S2：根据所述1/2对称力学模型构建直截面外导流筒体的径向位移公式以及转角公式；所述直截面外导流筒体的径向位移公式包括内壳体的径向位移公式、外壳体的径向位移公式、端板Rt位置处的径向位移公式和端板Ro位置处的径向位移公式；所述直截面外导流筒体的转角公式包括内壳体的转角公式、外壳体的转角公式、端板Rt位置处的转角公式和端板Ro位置处的转角公式；

步骤S3：根据直截面外导流筒体的径向位移公式以及转角公式构建4阶矩阵方程，并求解，获得矩阵解；

步骤S4：基于矩阵解确定直截面外导流筒体的应力和轴向刚度；所述直截面外导流筒体的应力包括：内壳体距离端部x处的经向应力、内壳体距离端部x处的周向应力、外壳体距离端部x处经向应力、外壳体距离端部x处的周向应力、端板在半径r＝x处的径向弯曲应力、端板在半径r＝x处的周向弯曲应力、端板在半径r＝x处的径向薄膜力、端板在半径r＝x处的周向薄膜力、端板在半径r＝x处的径向组合应力和端板在半径r＝x处的周向组合应力。

可选地，在内压和边缘载荷作用下，内壳体的径向位移公式为：

其中，D_s为内壳体的径向位移，δs为内壳体的壁厚，k_s为内壳体圆筒常数，R_ms为内壳体中面半径，Es为内壳体材料弹性模量，Q_s为内壳体端部沿圆周的单位周长的剪力，M_s为内壳体端部沿圆周的单位周长的弯矩，ν_s为内壳体材料泊松比，p为介质内压力。