目前机械结构动力学分析大多是建立在有限元和实验模态分析的基础上,本研究从理论和实验两个方面研究管壳式换热器的振动特性。

一、有限元模型的建立

应用三维参数化技术及Pro/Engineer软件,根据管壳式换热器的实际结构,本研究建立了其三维实体模型。将实体模型以通用格式IGES导入HyperMe进行有限元模型的建立,以保证分析模型与设计模型的一致性,提高分析的准确性。

本研究采用四面体十节点三维实体线性单元对实体进行有限元网格划分,每个节点含有3个平移自由度,该单元具有二次迭代的特性,适用于划分不规则网格的模型。对管束和管板、折流板的焊接部位采用焊接单元,总共有网格节点17 201个,单元数65 601个。

二、有限元模态结果及分析

笔者将在HyperMesh环境下建立的有限元模型导入Nastran以进行模态分析。结构的振动可以表示为各阶固有振型的线性组合,由于低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大,因此,低阶振型决定了结构的动态特性。

由模态分析结果可知管壳式换热器的固有频率在180Hz以上,通过该管壳式换热器的设计参数和极限工况并结合文献[7]的理论可得其最高激振频率为102Hz,从而避开了流体诱导振动产生的激振频率,其整体设计基本合理。

通过对管壳式换热器各阶的模态振型比较,发现如图2~图4所示第一、三、五阶的模态振型具有典型的意义。可知管壳式换热器的螺栓连接处和出口、入口处的相对振型较大,并且出口和入口处的模态振型与流体流向相一致,容易引起该处的强烈振动。因此在设计的时候可以考虑增加管程入口和出口处的壁厚,在安装时有必要对螺栓联接部位进行螺栓预紧力的校核,防止该处在工作过程中松动甚至与壳体相脱离。