一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，具體涉及一種基于 熱-流-固耦合計算的空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法。屬于疲勞強度領域。
【背景技術】
[0002] 能源短缺問題已經成為世界各國極為關注并迫切希望解決的問題。為此，國家 十二五計劃提出了節能減排策略，把節約能源當作一項現實的緊迫任務來實施。換熱器作 為高能耗國民經濟生產領域中的熱量交換核心單元，廣泛應用于航空、石油、化工、電力、食 品等行業，設備工作的可靠性及傳熱效率的穩定性對工業生產有著極大的影響。換熱器運 行過程中，由于換熱器介質的流動而引起傳熱元件的振動稱為換熱器內流體誘發振動。這 種振動會引起換熱器額外壓力損失，同時導致劇烈的噪聲和傳熱元件的破壞。換熱器因流 體流動引起振動的現象顯著地增多，制約著換熱器技術的進一步發展。
[0003] 由于換熱器的構造應力復雜，工作條件惡劣，焊接缺陷難以控制等原因，空氣換熱 器管束中經常會出現微觀裂紋甚至開裂現象，會造成換熱器局部失效甚至整體報廢，給企 業以及國家帶來巨大的經濟損失，該問題具有一定的普遍性。
[0004] 為了解決上述問題，需要采用疲勞壽命評估方法對換熱器管束進行疲勞壽命評 估，一旦換熱管束出現疲勞裂紋，即可采用該方法對其剩余壽命進行快速、準確的評估，進 而對后續換熱器的生產、使用以及維護做出科學決策，這對于確保空氣換熱器的正常工作 具有重要意義。

【發明內容】

[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，所述 方法評估結果可靠、邏輯清楚、檢測手段、方法簡單，可以對空氣換熱器管束的壽命進行評 估，進而為設計人員的決策方案提供參考，確保換熱器的正常工作。
[0006] 本發明的目的由以下技術方案實現：
[0007] 一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，步驟如下：
[0008] 步驟一，建立空氣換熱器三維有限元計算模型；
[0009] 具體為先建立空氣換熱器的三維模型，再對所述三維模型進行網格劃分，獲得空 氣換熱器三維有限元計算模型；
[0010] 步驟二，數值計算
[0011] (1)對空氣換熱器殼程流場進行數值計算，獲得殼程流體的速度分布和壓力分 布；
[0012] (2)對空氣換熱器進行溫度場數值計算，獲得空氣換熱器管板和管束的溫度分布。
[0013] 步驟三，耦合計算
[0014] 利用有限元計算軟件，將步驟二獲得的速度分布、壓力分布、溫度分布作為邊界條 件施加到三維有限元計算模型中進行耦合計算，獲得換熱器應力分布和應變分布，根據應 變分布得到空氣換熱器管束危險部位的最大當量塑性應變范圍△%_。
[0015] 步驟四，空氣換熱器管束疲勞壽命評估 _6]
⑴
[0017] 壽命評估采用Manson - Coffin公式中的應變法，具體公式為：
[0018] 其中：A ep為塑性應變范圍；Nf為試樣材料的疲勞壽命；a、C分別為材料常數；
[0019] 對上式兩邊取對數整理得：
[0020] (2)
[0021] 由上式看出取對數后，塑性應變范圍Aep與疲勞壽命Nf成線性關系；
[0022] 將步驟三計算得到的空氣換熱器管束的最大當量塑性應變范圍A帶入式 (2)中，得到試樣材料的疲勞壽命Nf，由試樣材料的疲勞壽命乂乘以安全系數計算得到空氣 換熱器管束壽命。
[0023] 有益效果
[0024] 本發明的方法通過先建立空氣換熱器三維有限元計算模型，經過數值計算、耦合 計算獲得試樣材料的疲勞壽命，再將試樣材料的疲勞壽命乂乘以安全系數計算得到空氣換 熱器管束壽命，評估結果可靠、邏輯清楚、檢測手段、方法簡單，可以對空氣換熱器管束的壽 命進行評估，為設計人員的決策方案提供參考，確保換熱器的正常工作。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合具體實施例來詳述本發明，但不限于此。
[0026] 一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，步驟如下：
[0027] 步驟一，建立空氣換熱器三維有限元計算模型；
[0028] 空氣換熱器建模：具體為先通過繪圖建模軟件建立空氣換熱器的三維模型，再通 過CAE軟件對所述三維模型進行網格劃分，獲得空氣換熱器三維有限元計算模型；
[0029] 步驟二，數值計算
[0030] (1)對空氣換熱器殼程流場進行數值計算，獲得殼程流體的速度分布和壓力分 布；
[0031] 具體為：采用適合大雷諾數湍流狀態的標準K-e方程，獲得空氣換熱器殼程流 場的速度場與壓力場分布：
[0032]
[0033]
[0034] 式中k為湍動能，u/為時均速度，u'、v'、w'為速度分量，e為耗散率，y為湍動 粘度，P為流體密度，xk為方向矢量。
[0035] (2)對空氣換熱器進行溫度場數值計算，獲得空氣換熱器管板和管束的溫度分布。
[0036] 步驟三，耦合計算
[0037] 利用有限元計算軟件，將步驟二獲得的速度分布、壓力分布、溫度分布作為邊界條 件施加到三維有限元計算模型中進行耦合計算，獲得換熱器應力分布和應變分布，根據應 變分布得到空氣換熱器管束危險部位的最大當量塑性應變范圍△ %_。
[0038] 步驟四，空氣換熱器管束疲勞壽命評估
[0039] 本壽命評估方法采用Manson-Coffin公式中的應變法，具體公式為：
[0040]
[0041] 其中：A￡5為塑性應變范圍；Nf為試樣材料的疲勞壽命（試樣為根據GB/ T26077- 2010標準獲得）；a、C分別為材料常數，一般通過試驗進行測定。
[0042] 對上式兩邊取對數整理得：
[0043]
[0044] 由上式可以看出取對數后，塑性應變范圍A ep與疲勞壽命Nf成線性關系。
[0045] 根據步驟三的耦合計算結果，得到空氣換熱器管束的最大當量塑性應變范圍 △ ，將其帶入上述疲勞壽命的方程中，得到試樣的疲勞壽命Nf，按照機械設計手冊中有 關疲勞設計的相關規定，綜合考慮結構應力集中、表面條件、操作環境等因素，取安全系數， 由試樣的疲勞壽命Nf乘以安全系數計算得到空氣換熱器管束壽命。
[0046] 本發明包括但不限于以上實施例，凡是在本發明精神的原則之下進行的任何等同 替換或局部改進，都將視為在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，其特征在于，所述方法步驟如下： 步驟一，建立空氣換熱器三維有限元計算模型； 具體為：先建立空氣換熱器的三維模型，再對所述三維模型進行網格劃分，獲得空氣換 熱器三維有限元計算模型； 步驟二，數值計算 (1) 對空氣換熱器殼程流場進行數值計算，獲得殼程流體的速度分布和壓力分布； (2) 對空氣換熱器進行溫度場數值計算，獲得空氣換熱器管板和管束的溫度分布； 步驟三，親合計算 將步驟二獲得的速度分布、壓力分布、溫度分布作為邊界條件施加到三維有限元計算 模型中進行耦合計算，獲得換熱器應力分布和應變分布，根據應變分布得到空氣換熱器管 束危險部位的最大當量塑性應變范圍Aepniax; 步驟四，空氣換熱器管束疲勞壽命評估 具體為：壽命評估采用Manson-Coffin公式中的應變法，具體公式為： Aep ?N/=C (1) 其中：△ep為塑性應變范圍；Nf為試樣材料的疲勞壽命；a、C分別為材料常數； 對上式兩邊取對數整理得：由上式看出取對數后，塑性應變范圍△ %與疲勞壽命Nf成線性關系； 將步驟三計算得到的空氣換熱器管束的最大當量塑性應變范圍A 帶入式（2)中， 得到試樣材料的疲勞壽命Nf，由試樣材料的疲勞壽命Nf乘以安全系數計算得到空氣換熱器 管束壽命。2. 根據權利要求1所述的一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，其特征在于，所述 步驟二（1)中對空氣換熱器殼程流場進行數值計算，獲得殼程流體的速度分布和壓力分 布，具體方法為：采用適合大雷諾數湍流狀態的標準K-e方程，獲得空氣換熱器殼程流場 的速度場與壓力場分布：式中k為湍動能，u/為時均速度，u'、v'、w'為速度分量，e為耗散率，y為湍動粘度，P為流體密度，xk為方向矢量。
【專利摘要】本發明公開了一種空氣換熱器管束疲勞壽命評估方法，屬于疲勞強度領域。所述方法具體為：步驟一，建立空氣換熱器三維有限元計算模型；步驟二，通過數值計算，獲得殼程流體的速度分布和壓力分布，以及管板和管束的溫度分布；步驟三，將步驟二獲得的結果作為邊界條件施加到三維有限元計算模型中進行耦合計算，獲得空氣換熱器應力分布和應變分布，進而根據應變分布得到空氣換熱器管束危險部位的最大當量塑性應變范圍Δεpmax；步驟四，先獲得試樣材料的疲勞壽命，再由試樣材料的疲勞壽命乘以安全系數得到空氣換熱器管束壽命。所述方法評估結果可靠、邏輯清楚、檢測手段、方法簡單，可以對空氣換熱器管束的壽命進行評估。
【IPC分類】G06F17/50, G06F19/00
【公開號】CN104992048
【申請號】CN201510313400
【發明人】高子強, 吳麟, 常杰, 孫佳興, 王璐
【申請人】中國人民解放軍第五七〇六工廠
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月9日