CN113221238A - 一种船舶换热器可靠性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶换热器可靠性评估方法，该方法根据换热器芯体结构构建出多种具有不同数量流道的结构简化模型，用于可靠性分析，分析了影响高效紧凑换热器芯体结构强度的最大影响因素，确定了薄膜应力、薄膜与弯曲应力之和的累积分布函数曲线及可靠度，可判断换热器是否满足规范规定的强度要求，为紧凑高效换热器结构优化设计提供参考依据，从而控制建造成本。
Description
技术领域
本发明涉及船舶建造技术领域，尤其涉及一种船舶换热器可靠性评估方法。
背景技术
由于海上浮式LNG海况环境恶劣，液化工作空间狭小，这就要求换热装置结构紧凑、耐低温、耐高压，因此紧凑高效换热器成为FLNG换热装置的最佳选择。针对海工高端装备领域对再气化和液化装置设计、制造的迫切需求，需要对换热器芯体进行应力强度分析，为换热器结构和设计参数优化提供理论依据，急需一种考虑强度的换热器可靠性评价方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种船舶换热器可靠性评估方法，用以解决上述背景技术中存在的问题。
一种船舶换热器可靠性评估方法，具体包括以下步骤：
S1，根据换热器的结构特征构建多种结构简化模型；
S2，将所有的结构简化模型导入有限元分析软件内；
S3，利用有限元分析软件分别获取各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线；
S4，根据各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线从所有的结构简化模型中选取出可用于可靠性分析的可靠性分析模型；
S5，在有限元分析软件中，设定随机输入变量；
S6，利用可靠性分析模型进行可靠性计算，得到各个随机输入变量相对于强度评定参数的灵敏度，强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线；
S7，根据强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线判断换热器是否满足规范规定的强度要求。
优选地，所述步骤S2中将所有的结构简化模型导入有限元分析软件后，可在每个结构简化模型的冷侧流道和热测流道上分别增设膨胀层。
优选地，所述步骤S3中利用有限元分析软件分别获取各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线的具体步骤为：
利用不同单元尺寸对其中一个结构简化模型进行若干次四面体网格划分，同时根据换热器的运行工况，对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷，绘制出该结构简化模型的强度评定参数在不同网格数量下沿路径方向的变化曲线图，对变化曲线图中各个曲线的变化趋势进行对比分析，筛选出该结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线；
重复上述步骤，依次获取每个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线。
优选地，所述强度评定参数包括薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和。
优选地，对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷时，利用有限元分析软件在可靠性分析模型边界施加弱弹簧约束条件，计算得到换热器芯体的应力强度分布，在应力强度相对较高的流道之间设置路径，沿着路径提取薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和。
优选地，所述随机输入变量包括冷侧流道壁厚、冷侧流道压力、热侧流道压力、弹性模量。
优选地，所述换热器的结构特征包括换热器每个面的流道分布规律、流道走向和流道尺寸。
本发明的有益效果是：
本发明根据换热器芯体结构构建出多种具有不同数量流道的结构简化模型，用于可靠性分析，分析了影响高效紧凑换热器芯体结构强度的最大影响因素，确定了薄膜应力、薄膜与弯曲应力之和的累积分布函数曲线累积分布函数及可靠度，可判断换热器是否满足规范规定的强度要求，为紧凑高效换热器结构优化设计提供参考依据，从而控制建造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为换热器芯体的模型示意图。
图2为换热器芯体的几何参数示意图。
图3为2×2×2、4×4×4、8×8×8换热器芯体简化单元模型。
图4为2×2×2结构简化模型、4×4×4结构简化模型、8×8×8结构简化模型的网格划分示意图。
图5为2×2×2结构简化模型、4×4×4结构简化模型、8×8×8结构简化模型的路径设置示意图。
图6为2×2×2结构简化模型中冷侧流道之间薄膜应力柱状图和薄膜应力与弯曲应力之和沿着路径方向的曲线图。
图7为4×4×4结构简化模型中冷侧流道之间薄膜应力柱状图和薄膜应力与弯曲应力之和沿着路径方向的曲线图。
图8为8×8×8结构简化模型中冷侧流道之间薄膜应力柱状图和薄膜应力与弯曲应力之和沿着路径方向的曲线图。
图9为不同结构简化模型的冷侧流道之间薄膜与弯曲应力曲线对比图。
图10为可用于可靠性分析的可靠性分析模型。
图11为冷侧流道壁厚示意图。
图12为薄膜应力响应面。
图13为薄膜应力与弯曲应力之和的响应面。
图14为本薄膜应力的灵敏度分析图。
图15为薄膜应力与弯曲应力之和的灵敏度分析图。
图16为薄膜应力的概率密度和累积分布函数曲线图。
图17为薄膜应力与弯曲应力之和的概率密度和累积分布函数曲线图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种船舶换热器可靠性评估方法，具体包括以下步骤：
S1，根据换热器的结构特征构建多种结构简化模型。
所述换热器的结构特征包括换热器每个面的流道分布规律、流道走向和流道尺寸。
具体地，换热器的芯体参数如图2、下表1所示：
表1紧凑高效换热器参数
S2，将所有的结构简化模型导入有限元分析软件内。
将所有的结构简化模型导入有限元分析软件后。
S3，利用有限元分析软件分别获取各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线。
具体地，首先，利用不同单元尺寸对其中一个结构简化模型进行若干次四面体网格划分，优选地，可在每个结构简化模型的冷侧流道和热测流道上分别增设膨胀层进行加密；
同时，根据换热器的运行工况，选择最为恶劣的工况对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷。对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷时，利用有限元分析软件在可靠性分析模型边界施加弱弹簧约束条件，计算得到换热器芯体的应力强度分布，在应力强度相对较高的流道之间设置路径，沿着路径提取薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和。
然后，针对该结构简化模型，比较不同网格数量下上述提取出来的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和，薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和均随着网格数量的增加而逐渐收敛。然后，绘制出该结构简化模型的强度评定参数(强度评定参数包括薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和)在不同网格数量下沿路径方向的变化曲线图，对变化曲线图中各个曲线的变化趋势进行对比分析，筛选出该结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线；
重复上述步骤，依次获取每个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线。
S4，根据各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线从所有的结构简化模型中选取出可用于可靠性分析的可靠性分析模型。
S5，设定随机输入变量，随机输入变量包括冷侧流道壁厚、冷侧流道压力、热侧流道压力、弹性模量。
S6，将随机输入变量输入可靠性分析模型得到各个随机输入变量相对于强度评定参数的灵敏度。
具体地，首先，分别计算各个随机输入变量的均值和标准差。
各随机输入变量参数、载荷视为服从正态分布的随机变量。各输入变量参数的取值为μ±3σ，即均值μ取设计值确定量，σ为标准差，σ＝Δ/3，其中Δ为承受载荷的极限偏差。
对于冷、热侧流道压力载荷，已知压力的上下限Pmax、Pmin，则可按照下列公式计算其均值和标准差：
μP＝(Pmax+Pmin)/2
σP＝(Pmax-Pmin)/6
对于冷侧流道壁厚，其标准差取为：
σδ＝1/3×0.06δ
换热器芯体材料为低碳钢，其弹性模量E标准差取σE＝3269.7MPa。
结构尺寸和载荷概率分布参数如下表3所示。
表2随机输入变量正态分布参数
然后，将上述随机输入变量输入可靠性分析模型，建立响应面模型，得到各个随机输入变量相对于薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和的灵敏度，以判断出影响换热器强度的关键因素。同时得到强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线。
S7，根据强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线判断换热器是否满足规范规定的强度要求。
所述规范是指ASME锅炉及压力容器规范(BPVC)，ASME锅炉及压力容器规范(BPVC)第Ⅷ卷规定：
Pm≤S，(Pm+Pb)≤1.5S，其中，Pm为薄膜应力，Pb为弯曲应力，S为许用应力。
下面通过举例详细说明本发明的具体实施方式。
假设本实施例中采用的换热器的芯体是交叉流多孔结构，如图1所示。
根据换热器芯体的结构，将换热器芯体简化为三种不同数量流道的具有代表性的结构型式，根据这三种简化结构分别构建出对应的结构简化模型，即2×2×2结构简化模型、4×4×4结构简化模型、8×8×8结构简化模型，如图3所示。
将这三种结构简化模型导入有限元分析软件内。
分别对这三种结构简化模型进行若干次不同单元尺寸的四面体网格划分，网格划分时，可在冷侧流道和热测流道上增设膨胀层进行加密，如图4、下表2所示。
表3网格划分方案
同时，按照紧凑高效换热器工况，如表1所示，在这三种结构简化模型的热侧流道施加2.5MPa压力，冷侧流道施加20MPa压力，结构简化模型的前、后、左、右、上、下六个表面不施加任何约束，为了保证后续计算收敛，避免产生刚性位移，尽可能降低边界条件对应力分布的影响，有限元分析软件在每个结构简化模型的边界均施加了弱弹簧。
由于本例冷侧流道设计压力较高，因此在中间冷侧流道设置路径，沿着路径提取薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和，并以薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和这两个参数作为强度评定参数。路径设置参考图5。
然后，针对这三种结构简化模型，分别比较其不同网格数量下提取出来的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和，绘制出这三种结构简化模型的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和在不同网格数量下沿路径方向的变化曲线图，如图6-图8所示。
从图6可知，2×2×2结构简化模型的薄膜应力以及薄膜应力与弯曲应力之和均随着网格数量的增加而逐渐收敛，为后续比较不同结构简化模型之间应力的差异，选择网格单元尺寸为0.0125mm、网格数为9330970的划分模式下薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的变化曲线作为其最佳变化曲线。同理对于4×4×4结构简化模型，选择网格数为6481493的划分模式下薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的变化曲线作为其最佳变化曲线。对于8×8×8结构简化模型，选择网格数为19583615的划分模式下薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的变化曲线作为其最佳变化曲线。
对2×2×2结构简化模型、4×4×4结构简化模型和8×8×8结构简化模型的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的最佳变化曲线进行对比分析发现，2×2×2结构简化模型的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的最佳变化曲线与4×4×4结构简化模型和8×8×8结构简化模型的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的最佳变化曲线有较大偏差，但是4×4×4结构简化模型和8×8×8结构简化模型的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和沿路径方向的最佳变化曲线基本一致。因此，在进行静强度分析时，4×4×4结构简化模型计算所得到的应力已经收敛，意味着4×4×4结构简化模型中间流道的应力可以代表整个换热器芯体大部分流道的应力。因此，将4×4×4结构简化模型作为可用于可靠性分析的可靠性分析模型，如图10所示。
以冷侧流道壁厚(图11所示)、冷侧流道压力、热侧流道压力、弹性模量作为随机输入变量。
将随机输入变量输入可靠性分析模型得到各个随机输入变量相对于强度评定参数的灵敏度，如图14、15所示，得到冷侧流道压力对冷侧流道路径上的薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和对换热器强度的影响最大，其次是冷侧流道壁厚，热侧流道压力、弹性模量对应力水平没有影响。
根据各个随机输入变量相对于强度评定参数的灵敏度，得到强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线，如图16、图17所示。从图16、图17可知，薄膜应力分布概率较高的区间为[30MPa，45MPa]，薄膜应力小于68MPa的概率为99.9％。薄膜应力与弯曲应力之和分布概率较高的区间为[40MPa，55MPa]，薄膜应力与弯曲应力之和小于106MPa的概率为99.9％。
进一步地，可根据应力对应的概率值，评价紧凑高效换热器芯体是否具有足够的可靠度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1，根据换热器的结构特征构建多种结构简化模型；
S2，将所有的结构简化模型导入有限元分析软件内；
S3，利用有限元分析软件分别获取各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线；
S4，根据各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线从所有的结构简化模型中选取出可用于可靠性分析的可靠性分析模型；
S5，在有限元分析软件中，设定随机输入变量；
S6，利用可靠性分析模型进行可靠性计算，得到各个随机输入变量相对于强度评定参数的灵敏度，强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线；
S7，根据强度评定参数的概率分布及累计分布函数曲线判断换热器是否满足规范规定的强度要求。
2.根据权利要求1所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S2中将所有的结构简化模型导入有限元分析软件后，可在每个结构简化模型的冷侧流道和热测流道上分别增设膨胀层。
3.根据权利要求1所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3中利用有限元分析软件分别获取各个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线的具体步骤为：
利用不同单元尺寸对其中一个结构简化模型进行若干次四面体网格划分，同时根据换热器的运行工况，对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷，绘制出该结构简化模型的强度评定参数在不同网格数量下沿路径方向的变化曲线图，对变化曲线图中各个曲线的变化趋势进行对比分析，筛选出该结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线；
重复上述步骤，依次获取每个结构简化模型的强度评定参数沿路径方向的最佳变化曲线。
4.根据权利要求1或3所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，所述强度评定参数包括薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和。
5.根据权利要求4所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，对换热器的热侧流道和冷侧流道分别施加压力载荷时，利用有限元分析软件在可靠性分析模型边界施加弱弹簧约束条件，计算得到换热器芯体的应力强度分布，在应力强度相对较高的流道之间设置路径，沿着路径提取薄膜应力、薄膜应力与弯曲应力之和。
6.根据权利要求1所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，所述随机输入变量包括冷侧流道壁厚、冷侧流道压力、热侧流道压力、弹性模量。
7.根据权利要求1所述的船舶换热器可靠性评估方法，其特征在于，所述换热器的结构特征包括换热器每个面的流道分布规律、流道走向和流道尺寸。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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