CN113486467B - 一种换热器管束建模方法及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换热器管束建模方法及计算机可读存储介质，方法包括如下步骤：1)根据换热器管束截面形状确定管束等效拟合轮廓；管束等效拟合轮廓的面积与换热器管束截面的面积相等；2)对换热器管束进行等效，确定等效后管束的等效管数、管内径、管外径和管位置；具体应满足如下条件：a)相同材质下等效前后的管束总质量相同；b)等效后管束截面上各管的截面位于管束等效拟合轮廓内，且均匀分布；3)根据等效后管束建立模型。本发明的方法对换热器管束进行了简化，大幅降低管束的管数，对数千根换热管组成的管束进行等效处理，获得了较为简单的模型结构，并尽可能保证了等效后的模型在承受相同冲击载荷时，与原模型表现出相同的特性。

Description

一种换热器管束建模方法及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及一种换热器管束建模方法及计算机可读存储介质，属于基于有限元的换热器分析技术领域。
背景技术
基于有限元分析的换热器冲击分析是其可靠性分析的一种，其目的是确定产品在使用和运输过程中承受非重复性机械冲击的适应性，其结构的完好性以及该产品耐冲击载荷作用的置信度。换热器内部的典型结构是数千根管组成的管束。如图1所示，换热管分布密集且长细比很大，建模及后续的有限元仿真对软件性能要求高、对硬件资源占用大，为后续的有限元的建模和分析造成了困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种换热器管束建模方法及计算机可读存储介质，用以解决换热器管束的建模和仿真计算量大、占用资源严重的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种换热器管束建模方法，包括如下步骤：
1)根据换热器管束截面形状确定管束等效拟合轮廓；管束等效拟合轮廓的面积与换热器管束截面的面积相等；
2)对换热器管束进行等效，确定等效后管束的等效管数、管内径、管外径和管位置；等效管数、管内径、管外径及管位置满足如下条件：a)相同材质下等效前后的管束总质量相同；b)等效后管束截面上各管的截面位于管束等效拟合轮廓内，且均匀分布；
3)根据等效后管束建立换热器管束模型。
本发明的方法对换热器管束进行了简化，大幅降低管束的管数，对数千根换热管组成的管束进行等效处理，获得了较为简单的模型结构，并尽可能保证了等效后的模型在承受相同冲击载荷时，与原模型表现出相同的特性。
进一步的，步骤2)条件b)中，等效后管束截面上各管的截面与管束等效拟合轮廓的轮廓线相切。
进一步的，所述管束等效拟合轮廓包括圆形轮廓和六边形轮廓。
作为典型的换热器内部结构，管束截面的拟合轮廓通常为六边形或圆形。
进一步的，等效后管束截面上各管的截面分布呈中心对称。
进一步的，等效后管束截面上各管的截面分布还呈轴对称。
进一步的，步骤2)中，换热器管束等效后还进行合理性验证，若合理性验证通过，则完成换热器管束的等效；若合理性验证不通过，则将等效管数加1或者减1，再重新确定管内径、管外径和管位置。
换热器管束等效后，还进行合理性验证，在特性偏差较大时，反馈调整等效后的换热管管数，并相应调整等效换热管的内外径及相对位置，即重新进行换热器管束的等效；重新进行换热器管束的等效可采用步进法调整管数，再根据调整后合理性指标的变化情况选择继续按照之前的调整方向(增加或减少)改变管数，或者反向调整管数。
进一步的，所述合理性验证的标准为：换热器管束等效后模型的抗弯截面系数及惯性矩与换热器管束等效前模型的相等。
抗弯截面系数综合反映了横截面的形状与尺寸对弯曲正应力的影响，抗弯截面系数越大抗弯曲能力越强；惯性矩反映了模型截面抵抗弯曲的性质，惯性矩越大抗弯曲能力越强。所以，选择抗弯截面系数和惯性矩作为合理性验证的指标能够保证后续有限元仿真中抗冲击等计算结果的可信度。
本发明的一种存储介质，所述存储介质储存有实现如上所述的换热器管束建模方法的计算机程序。
附图说明
图1是换热器结构示意图；
图2是本发明的换热器管束建模方法流程图；
图3是换热器管束圆形截面等效示意图；
图4是换热器管束等效为六边形轮廓示意图；
图5是空心圆截面惯性矩公式示意图；
图6是平行移轴惯性矩公式示意图；
图7是实例分析中所采用的管束的截面结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
方法实施例：
如图1所示的本发明的一种换热器管束建模方法，如图2的方法流程图所示，包括如下步骤：
第一步:建立完全三维模型。
根据换热器图纸建立换热器管束的完整三维模型。
第二步:确定管束截面拟合轮廓的基本样式。
作为典型的换热器内部结构，管束截面的拟合轮廓通常为六边形或圆形。
若换热器管束的截面如图3中A部的管束截面1，即换热管密集排布，最终排布的换热管截面整体呈圆形，则等效拟合轮廓形状采用圆形，拟合轮廓如图3中B部所示的拟合轮廓线10。
若换热器管束的截面如图4中C部的管束截面2，即换热管密集排布所形成的换热管截面近似为六边形，则等效拟合轮廓形状采用六边形，拟合轮廓如图4中D部所示的拟合轮廓线20。
第三步:确定管束截面拟合轮廓的面积。
确定拟合轮廓后，可以得到拟合轮廓的面积，即拟合轮廓线围城的面积，拟合轮廓的面积应当与拟合前换热器管束的截面面积相等。
第四步：确定等效后等效换热管的数目，等效换热管内外径大小和等效换热管的相对位置。
保证等效前后换热管管束截面面积和等效后拟合轮廓的面积相等、样式相同的前提下，对等效后等效换热管的数目，内外径大小，相对位置以及材料属性进行合理规划。
一般来说，等效前后选取相同的换热管材料。
对于管数来说：在保证截面拟合轮廓样式相同的前提下，一般取等效换热管数目的最小值，例如对于圆形轮廓，等效换热管数目取可拟合圆形轮廓的最小值。
例如对于图3来说，为了满足均匀布置和拟合圆形拟合轮廓线，等效换热管11可以最少取5个(图中为最佳的9个等效换热管的例子)，每四分之一个圆形拟合轮廓内布置一个，圆形拟合轮廓中心一个。
对于图4来说，为了满足均匀布置和拟合六边形拟合轮廓线，等效换热管21可以最少取10个(图中为最佳的水平方向分5层，每层分别有2、3、4、3、2共14个等效换热管的例子)，六边形拟合轮廓线的每个圆弧拐点布置一个，以满足轮廓线的拟合；中心区域均布4个以满足均匀布置。
对于内径d，外径D来说：内外径决定了单个等效换热管的壁厚，壁厚决定了等效换热管，等效换热管的数量和单个等效换热管的壁厚决定了等效拟合后管束的总质量。保证拟合前换热管管束和拟合后等效换热管管束的总质量一致，同时基于已确定的等效换热管管数，合理规划单个等效换热管的内外径大小。
等效换热管的相对位置：保证等效换热管的排布均匀；进一步还可以使截面图中最外层的等效换热管与拟合轮廓线内切。同时对于圆形和六边形样式的截面拟合轮廓，等效换热管的排布还可以符合中心对称结构，同时符合轴对称结构等满足均匀排布的结构，据此可确定每个等效换热管的具体位置。
第五步:等效后模型的合理性验证。
为验证上述等效参数的合理性，选取指标对等效前后模型的等效效果进行验证。本实施例中选取惯性矩和抗弯截面系数进行分析对比。
抗弯截面系数：
Figure BDA0003158764310000051
换热管截面上离中性轴最远的各点处，弯曲正应力最大，其值与截面的形状与尺寸有关，称为抗弯截面系数，用Wz表示。抗弯截面系数综合反映了横截面的形状与尺寸对弯曲正应力的影响，抗弯截面系数越大抗弯曲能力越强。所以，为保证抗冲击计算结果的可信度，至少应使等效后模型抗弯截面系数≤原模型抗弯截面系数。
惯性矩：
模型截面抵抗弯曲的性质，惯性矩越大抗弯曲能力越强。所以，为保证抗冲击计算结果的可信度，至少应使等效后模型惯性矩≤原模型惯性矩。
a)圆截面惯性矩公式:
Figure BDA0003158764310000052
上式中参数物理意义如图5所示，图中两个同心圆代表圆形截面，C为圆心。
b)平行移轴惯性矩公式：
x＝xc+b
Figure BDA0003158764310000053
上式中参数物理意义如图6所示，C为原轴心，黑色方块为移轴后轴心，O为坐标原点。
由公式(1)、(2)得每一层的换热管惯性矩公式为：
Figure BDA0003158764310000054
抗弯截面系数综合反映了横截面的形状与尺寸对弯曲正应力的影响，抗弯截面系数越大抗弯曲能力越强。惯性矩反映了模型截面抵抗弯曲的性质，惯性矩越大抗弯曲能力越强。为保证等效效果和等效合理性，等效前后管束的抗弯截面系数和惯性矩应当相等。
理想状况下，等效前后模型抗弯截面系数以及惯性矩相等。同时，本领域技术人员应当明了，在满足分析条件的前提下给出关于上述两参数的合理差值范围，若符合差值范围要求，则应当认为属于相等情况也即等效模型合理。
若不合理则继续第四步，通过调整内外径参数大小等方式获得合理的等效模型。具体可以步进改变调整等效换热管数量，例如每次增加1，再根据第四步中的条件相应调整等效换热管的内外径参数及排布，再进行等效后模型的合理性验证，直至等效合理性指标达标，等效模型合理，在本实施例中即等效前后模型抗弯截面系数以及惯性矩相等。
第六步：等效模型合理后，按照等效的换热管管束建立模型。
实例分析：
对于如图7中所示的管束截面结构，取六边形为截面拟合轮廓样式。
计算得到管束截面面积为：4.12×105mm2。
因此六边形拟合轮廓的面积为：4.12×105mm2。
第四步中：确定等效换热管的数量和排布如图4中D部所示，等效换热管21分为5层，按照每层“2、3、4、3、2”根等效换热管，共14根等效换热管方式排布，最外层等效换热管与拟合轮廓线20内切。
对管束赋予材料属性，通过软件可以求得等效前质量为1503.43Kg，据此取等效换热管外径D＝420mm，内径d＝28mm。
仿真验证后得到如下图所示结果：
表1模型计算结果
Figure BDA0003158764310000061
最终验证计算得等效模型惯性矩的差值比例为6.38％，抗弯截面系数差值比例为5.90％，对于给定的分析条件，模型等效前后的抗弯截面系数、惯性矩符合差值比例要求，故本发明的方法得到的等效模型合理，方法建模所得模型可用于后续有限元仿真计算。
计算机存储介质实施例
计算机存储介质，储存有实现换热器管束建模方法的程序，该程序被至少一个处理器执行时，能够实现方法实施例中的换热器管束建模方法。
本实施例所称的介质是，存储有计算机程序指令的可编程数据处理设备。例如，可以是集成有存储器的计算机、单片机或工控机，和/或是其他独立的存储器、内存储器。上述介质还可以是一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)。

Claims (6)

1.一种换热器管束建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据换热器管束截面形状确定管束等效拟合轮廓；管束等效拟合轮廓的面积与换热器管束截面的面积相等；管束等效拟合轮廓的样式与换热器管束截面轮廓的样式相同；所述管束等效拟合轮廓包括圆形轮廓和六边形轮廓；
2)对换热器管束进行等效，确定等效后管束的等效管数、管内径、管外径和管位置；
等效管数、管内径、管外径及管位置满足如下条件：a)相同材质下等效前后的管束总质量相同；b)等效后管束截面上各管的截面位于管束等效拟合轮廓内，且均匀分布；等效后管束截面上各管的截面与管束等效拟合轮廓的轮廓线相切；当管束
等效拟合轮廓为圆形轮廓时，等效后管束的等效管数至少取5个；当管束等效拟合轮廓为六边形轮廓时，等效后管束的等效管数至少取10个；
3)根据等效后管束建立换热器管束模型。
2.根据权利要求1所述的换热器管束建模方法，其特征在于，等效后管束截面上各管的截面分布呈中心对称。
3.根据权利要求2所述的换热器管束建模方法，其特征在于，等效后管束截面上各管的截面分布还呈轴对称。
4.根据权利要求1～3任一项所述的换热器管束建模方法，其特征在于，步骤2)中，换热器管束等效后还进行合理性验证，若合理性验证通过，则完成换热器管束的等效；若合理性验证不通过，则将等效管数加1或者减1，再重新确定管内径、管外径和管位置。
5.根据权利要求4所述的换热器管束建模方法，其特征在于，所述合理性验证的标准为：换热器管束等效后模型的抗弯截面系数及惯性矩与换热器管束等效前模型的相等。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质储存有实现如权利要求1～5任一项所述的换热器管束建模方法的计算机程序。
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