管壳式换热器管束有限元模拟合理性研究及失稳分析

针对某DN300 mm、热管长度3 m的浮头式换热器管束失稳的数值模拟问题,首先,不考虑换热管和折流板之间的间隙,采用直接绑定接触将换热管和折流板连接在一起进行非线性失稳分析,结果是由于管束抗失稳,刚度显著增加,在壳程等效轴向压力达到42.606 MPa时,管束在轴向载荷作用下发生塑性失效,没有出现失稳;然后,针对换热管和折流板之间存在间隙而出现非线性接触分析难题,提出间隙等效法,即在间隙中填充软材料,从而改变接触形式,实现非线性失稳分析。同时,还针对该浮头换热器,采用间隙等效法成功进行了在壳程等效压力作用下的非线性稳定性分析,结果发现,由于换热器没有筒体支撑,管束会发生整体失稳,失稳变形呈整体偏斜,此时的等效轴向压力为18.6 MPa,小于换热管和折流板直接绑定的结果。另外,由GB/T 151—2014确定的基于欧拉公式计算的单根管临界失稳压力为89790 N,远大于本算例中整体失稳平均每根管承受的轴向压力,这意味着基于欧拉公式的换热器常规设计可能无法保证不会发生管束整体失稳的情况。