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目前機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析大多是建立在有限元和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上,本研究從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究管殼式換熱器的振動(dòng)特性。

一、有限元模型的建立

應(yīng)用三維參數(shù)化技術(shù)及Pro/Engineer軟件,根據(jù)管殼式換熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu),本研究建立了其三維實(shí)體模型。將實(shí)體模型以通用格式IGES導(dǎo)入HyperMe進(jìn)行有限元模型的建立,以保證分析模型與設(shè)計(jì)模型的一致性,提高分析的準(zhǔn)確性。

本研究采用四面體十節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元對(duì)實(shí)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有3個(gè)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(duì)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(diǎn)17 201個(gè),單元數(shù)65 601個(gè)。

二、有限元模態(tài)結(jié)果及分析

筆者將在HyperMesh環(huán)境下建立的有限元模型導(dǎo)入Nastran以進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表示為各階固有振型的線性組合,由于低階的振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響程度比高階振型大,因此,低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

由模態(tài)分析結(jié)果可知管殼式換熱器的固有頻率在180Hz以上,通過(guò)該管殼式換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)和極限工況并結(jié)合文獻(xiàn)[7]的理論可得其最高激振頻率為102Hz,從而避開了流體誘導(dǎo)振動(dòng)產(chǎn)生的激振頻率,其整體設(shè)計(jì)基本合理。

通過(guò)對(duì)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(duì)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(qiáng)烈振動(dòng)。因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候可以考慮增加管程入口和出口處的壁厚,在安裝時(shí)有必要對(duì)螺栓聯(lián)接部位進(jìn)行螺栓預(yù)緊力的校核,防止該處在工作過(guò)程中松動(dòng)甚至與殼體相脫離。