用于确定板翅式换热器力学参数的方法及其应用设计方法技术

用于确定板翅式换热器力学参数的方法及其应用设计方法，属于换热器技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤a，将板翅结构划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将板翅胞元等效成均匀固态板；步骤c，获取板翅胞元的等效力学参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效力学参数。本用于确定板翅式换热器力学参数的方法，解决了现有技术只能通过实验或者有限元模拟获取等效力学参数，过程复杂繁琐的问题。该计算方法的结果可用于板翅式换热器的高温强度设计，简化了设计过程；本板翅式换热器的应用设计方法能够对在高温、交变载荷下服役的板翅式换热器进行有效的寿命预测，为板翅式换热器的高温强度设计提供了有效的方法。

【技术实现步骤摘要】

板翅式换热器的力学参数计算方法及其应用设计方法，属于换热器

技术介绍
随着科技的发展，能源消耗也越来越多，节能减排，提高能源的利用率就成为人们关注的焦点。换热设备，作为高温系统的核心一员，不仅仅要求具有高效的换热性能，而且要求有紧凑的结构。但是，现有的换热设备，多为管壳式换热器，占用体积大，换热效率低，难以满足在航空航天、高温气冷堆、燃气轮机等领域的要求。板翅式换热器具有结构紧凑，换热效率高的特点，研究板翅式换热器很有前景。但是由于板翅式换热器周期性复杂结构而导致了难以对板翅式换热器进行有限元模拟问题，而现有的方法复杂繁琐，需花费大量的人力物力财力，难以使用，限制了运用有限元分析软件对板翅式换热器进行高温强度设计，严重影响了板翅式换热器的发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种方便计算板翅式换热器芯体等效力学参数的板翅式换热器的力学参数计算方法及其应用设计方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：该板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，将板翅式换热器芯体划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将每个板翅胞元均等效成均匀固态板；步骤c，获取任意一个板翅胞元的等效力学参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效力学参数。优选的，所述的板翅式换热器芯体包括平板和翅片，每相邻的两块平板之间设有一块翅片，从而在每相邻的两块平板之间形成多个流道。优选的，所述的等效力学参数包括各向异性等效弹性模量、等效剪切模量、泊松比。优选的，所述的各向异性等效弹性模量的计算公式如下：以板翅式换热器前侧底部的中点为原点，以水平面内与流道轴线平行的方向为x轴，垂直于流道轴线的方向为y轴，竖直方向为z轴建立坐标系，，，，其中，、、分别为x轴、y轴、z轴方向的等效弹性模量，为母材的弹性模量，d为板翅式换热器芯体的流道上侧的宽度，为流道侧面与竖直面的夹角，为流道的侧面的长度，t为板翅式换热器芯体平板的厚度，δ为板翅式换热器芯体的翅片的厚度。优选的，泊松比的计算公式如下：，，，其中，为在y轴方向载荷作用下x轴方向与y轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下x轴方向与z轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下y轴方向与z轴方向应变的比值，为母材的泊松比。优选的，所述的等效剪切模量的计算公式如下：以板翅式换热器前侧底部的中点为原点，以水平面内与流道轴线平行的方向为x轴，垂直于流道轴线的方向为y轴，竖直方向为z轴建立坐标系，，，，其中，、分别为母材的泊松比和弹性模量，d为板翅式换热器芯体的流道上侧的宽度，为流道侧面与竖直面的夹角，为流道的侧面的长度，t为板翅式换热器芯体平板的厚度，δ为板翅式换热器芯体的翅片的厚度。板翅式换热器的应用设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，根据设计温度、设计压力要求对板翅式换热器结构进行初步设计，并明确板翅式换热器的工作温度、运行循环次数以及服役寿命；步骤2，通过有限元软件进行板翅结构一次应力分析，确定应力集中部位，并确定许用应力；步骤3，判断应力集中部位的应力水平是否满足如下条件：；；其中，为一次薄膜应力，为局部薄膜应力，为一次弯曲应力，为与时间有关的许用应力，的取值范围为1.05~1.16；若满足条件，则执行步骤4；若一次应力评定不满足条件，则改变板翅式换热器芯体的结构、板材厚度，返回步骤2；步骤4，在服役环境下，对板翅结构进行蠕变断裂实验和疲劳实验，对老化母材也进行蠕变断裂实验和疲劳实验，计算应力放大系数和应变放大系数，并根据实验结果对母材的疲劳设计曲线和蠕变断裂设计曲线进行修正；，，其中，、分别为相同蠕变断裂时间下母材和板翅结构的蠕变断裂强度，、分别为相同疲劳寿命下母材和板翅结构的宏观应变范围；步骤5，利用上述的板翅式换热器的力学参数计算方法计算板翅结构的等效力学参数，同时获取板翅结构的等效热物性参数，从而对板翅式换热器进行热疲劳有限元分析，得出板翅式换热器芯体沿高度方向的宏观应力的时间历程，计算钎角处总应变，，其中，为由一次应力分析所得应力范围得出的应变范围；为热疲劳分析所得宏观应力的最大值与最小值的差值与板翅式换热器芯体高度方向弹性模量的比值；步骤6，计算板翅式换热器芯体的疲劳损伤和蠕变损伤，，其中，为疲劳周期数，为修正后的疲劳设计曲线上，应变范围为ε时对应的疲劳寿命；，其中，为疲劳周期数，为应变保持时间，为t时刻的宏观应力，为修正后的蠕变断裂设计曲线上应力为σ时对应的蠕变断裂寿命；步骤7，如果小于1，则执行步骤8；如果大于等于1，则执行步骤1；步骤8，板翅式换热器设计完成。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：1、本板翅式换热器的等效力学参数计算方法将结构不均匀的板翅式换热器芯体划分为多个结构相同板翅胞元，将板翅胞元等效成均匀固态板，获取板翅胞元的等效力学参数，从而获得了板翅式换热器芯体的等效力学参数，解决了由于板翅式换热器周期性复杂结构而导致的难以对板翅式换热器进行有限元模拟的问题，进而方便了后续通过有限元分析软件对板翅式换热器进行热疲劳分析。2、板翅式换热器芯体的各向异性等效弹性模量、等效剪切模量和泊松比均是通过将板翅胞元等效成均匀固态板来计算，计算过程方便，不容易出现错误。3、板翅式换热器芯体的等效力学参数以解析式的方式给出，解决了以往只能通过复杂的计算机模拟或者实验方法获取等效参数的问题，方便了等效参数的计算，大大提高了板翅式换热器设计的效率。4、本板翅式换热器的应用设计方法综合考虑了板翅式换热器的钎焊过程、服役环境、失效位置等影响，并对板翅式换热器芯体进行了等效均匀化，计算了板翅式换热器芯体等效力学参数和等效热物性参数，解决了板翅式换热器由于复杂的周期性结构而无法直接有效运用有限元软件进行高温强度设计的问题，为板翅式换热器的高温强度设计提供了理论基础，从而能够对在高温、交变载荷下服役的板翅式换热器进行有效的寿命预测，从而为高温服役的板翅式换热器的设计提供了有效的方法。附图说明图1为板翅式换热器芯体的主视示意图。图2为板翅胞元的主视示意图。图3为蠕变疲劳寿命评价折线图。图中：1、平板2、翅片3、流道。具体实施方式图1~3是本专利技术的最佳实施例，下面结合附图1~3对本专利技术做进一步说明。如图1~2所示：板翅换热器芯体包括平板1和翅片2，每相邻的两块平板1之间设有翅片2，由多块平板1和翅片2间隔叠加钎焊而成，从而在每相邻的两块平板1之间形成多个流道3，流道3的截面为等腰梯形。板翅式换热器芯体的平板1和翅片2通过钎焊而成，结构紧凑，不同于常规均质材料，板翅式换热器芯体具有周期性多孔结构的特征，板翅式换热器芯体结构的周期性和复杂性，很难直接进行有限元分析，需利用等效均匀化的方法进行有限元分析。为了能够对板翅式换热器芯体进行有限元分析，引入了均匀化方法。均匀化方法是指复合材料具有规则或近似规则的结构，这种相当规则的异质性材料可以假设为具有周期性的结构，应该强调的是，相比于复合体的尺寸规模，这些非均匀材质是很小的。鉴于此，这些类型的材料有时候被称为具有周期性微观结构的复合材料。但是即使运用现代高速计算机分析这些包含大量异质性材料的边界值问题也是相当困难的。克服这种困难就需要找到一种方法，利用一种等效的材料模型代替复合本文档来自技高网...

【技术保护点】
板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，将板翅式换热器芯体划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将每个板翅胞元均等效成均匀固态板；步骤c，获取任意一个板翅胞元的等效力学参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效力学参数。

【技术特征摘要】
1.板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤a，将板翅式换热器芯体划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将每个板翅胞元均等效成均匀固态板；步骤c，获取任意一个板翅胞元的等效力学参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效力学参数。2.根据权利要求1所述的板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：所述的板翅式换热器芯体包括平板（1）和翅片（2），每相邻的两块平板（1）之间设有一块翅片（2），从而在每相邻的两块平板（1）之间形成多个流道（3）。3.根据权利要求1所述的板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：所述的等效力学参数包括各向异性等效弹性模量、等效剪切模量、泊松比。4.根据权利要求3所述的板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：所述的各向异性等效弹性模量的计算公式如下：以板翅式换热器前侧底部的中点为原点，以水平面内与流道（3）轴线平行的方向为x轴，垂直于流道（3）轴线的方向为y轴，竖直方向为z轴建立坐标系，，，，其中，、、分别为x轴、y轴、z轴方向的等效弹性模量，为母材的弹性模量，d为板翅式换热器芯体的流道（3）上侧的宽度，为流道（3）侧面与竖直面的夹角，为流道（3）的侧面的长度，t为板翅式换热器芯体平板（1）的厚度，δ为板翅式换热器芯体的翅片（2）的厚度。5.根据权利要求4所述的板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：泊松比的计算公式如下：，，，其中，为在y轴方向载荷作用下x轴方向与y轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下x轴方向与z轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下y轴方向与z轴方向应变的比值，为母材的泊松比。6.根据权利要求3所述的板翅式换热器的力学参数计算方法，其特征在于：所述的等效剪切模量的计算公式如下：以板翅式换热器前侧底部的中点为原点，以水平面内与流道（3）轴线平行的方向为x轴，垂直于流道（3）轴线的方向为y轴，竖直方向为z轴建立坐标系，，，，其中，、分别为母材的泊松比和弹性模量，d为板翅式换热器芯体的流道（3）上侧的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文春，葛磊，张玉财，巩建鸣，涂善东，谭菊妮，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37