目前機械結構動力學分析大多是建立在有限元和實驗模態(tài)分析的基礎上,本研究從理論和實驗兩個方面研究管殼式換熱器的振動特性。
一、有限元模型的建立
應用三維參數(shù)化技術及Pro/Engineer軟件,根據(jù)管殼式換熱器的實際結構,本研究建立了其三維實體模型。將實體模型以通用格式IGES導入HyperMe進行有限元模型的建立,以保證分析模型與設計模型的一致性,提高分析的準確性。
本研究采用四面體十節(jié)點三維實體線性單元對實體進行有限元網(wǎng)格劃分,每個節(jié)點含有3個平移自由度,該單元具有二次迭代的特性,適用于劃分不規(guī)則網(wǎng)格的模型。對管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接單元,總共有網(wǎng)格節(jié)點17 201個,單元數(shù)65 601個。
二、有限元模態(tài)結果及分析
筆者將在HyperMesh環(huán)境下建立的有限元模型導入Nastran以進行模態(tài)分析。結構的振動可以表示為各階固有振型的線性組合,由于低階的振型對結構的動力影響程度比高階振型大,因此,低階振型決定了結構的動態(tài)特性。
由模態(tài)分析結果可知管殼式換熱器的固有頻率在180Hz以上,通過該管殼式換熱器的設計參數(shù)和極限工況并結合文獻[7]的理論可得其最高激振頻率為102Hz,從而避開了流體誘導振動產(chǎn)生的激振頻率,其整體設計基本合理。
通過對管殼式換熱器各階的模態(tài)振型比較,發(fā)現(xiàn)如圖2~圖4所示第一、三、五階的模態(tài)振型具有典型的意義??芍軞な綋Q熱器的螺栓連接處和出口、入口處的相對振型較大,并且出口和入口處的模態(tài)振型與流體流向相一致,容易引起該處的強烈振動。因此在設計的時候可以考慮增加管程入口和出口處的壁厚,在安裝時有必要對螺栓聯(lián)接部位進行螺栓預緊力的校核,防止該處在工作過程中松動甚至與殼體相脫離。