某型号核电用板式换热器抗震性能分析及优化

　　

某型号新结构新结构核电专用板式换热器抗震性能分析及优化

黄立龙 朱海舟 安克鹏 刘雪峰

Huanglilong Zhuhaizhou Ankepeng Liuxuefeng

（兰州兰石换热设备有限责任公司 兰州 730000）

（Lanzhou Lanshi Heat Exchange Equipment Co. LTD Lanzhou 730000）

摘要：本文运用有限元法计算了某型号新结构新结构核电专用板式换热器的固有频率，并改进其结构及零部件尺寸，使其第一阶固有频率大于33HZ，能满足核电抗震的相关要求。为以后新结构核电专用板式换热器的设计提供了参考依据。

Abstract:In this paper, the finite element method is used to calculate the natural frequency of a type of special plate heat exchanger for nuclear power, and its structure and component size are improved to make the first order natural frequency greater than 33HZ, which can meet the relevant requirements of nuclear power seismic. It provides a reference for the future design of special plate heat exchanger for nuclear power..

关键词： 新结构核电专用板式换热器、频率、优化、抗震

Key words: special plate heat exchanger for nuclear power, frequency, optimization, earthquake resistance

新结构核电专用板式换热器是由多件以一定规律组合装配的带有特殊波纹形式的不锈钢换热板片和多种材质、多种结构的密封垫片以及固定端压紧板、活动端压紧板、上部导向杆、下部导向杆、立柱、紧固拉杆、法兰、接管、连接螺栓等组成。此种产品的结构具体来说主要是由换热板片和密封垫片用紧固拉杆压紧而成。其角上的孔构成了连续的通道，介质从入口进入通道,并被分配到换热板片之间的流道内，每张板片都有密封垫片，板与板之间的位置是交替放置，两种介质分别进入各自通道，由板片和密封胶垫隔开。一般情况下，两种介质在通道内逆向流动（简单程），热介质将热能传递给板片，板片又将热能传递给另一侧的冷介质，从而达到热介质温度降低被冷却，冷介质温度升高得到加热的目的。此类换热器依据其适用不同工况，选择不同系列的换热板片，进而衍生出多种型号的板式换热器。近年来，随着核能发电站的兴起，此类板式换热器中的多种型号产品已经得到了广泛应用。同时，针对核电领域，由于其特殊的工况，以及对于安全方面的高标准要求，需要对此类板式换热器进行较为有效的优化改造。基于此并结合核电站严格的抗震要求，往往要求新结构核电专用板式换热器的第一阶固有频率大于33H_Z。这就需要我们改进换热器的结构，以达到核电站的要求。因此我们选取某型号的新结构核电专用板式换热器，利用有限元方法先计算其固有频率和对应的模态，然后改进换热器的结构及零部件尺寸，再计算新结构的固有频率，已验证结构优化的合理性。

除此之外，此种换热器还广泛应用于暖通空调、化学工业、冶金工业、机械工业、电力工业、造纸工业、纺织工业、食品工业、油脂工艺、集中供热等传统行业。因此，本文所研究改进的换热器结构待验证合理之后，可以推广于上述诸多传统行业，对这些传统行业的换热器进一步优化改进提供有力支撑。

一、分析计算的理论基础

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、　谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。

（一） 模态分析理论基础

在有限元分析程序中，振动方程表示为:[M]｛｝+[C]{}+[K]｛u｝=0 该方程可作为特征值问题看待，对于无阻尼情况，则该方程可简化为：（[M]-｛u｝=0 。其中，表示特征值;｛u｝表示特征向量,在振动的物理过程中表示振型，表示各个位置在不同方向振动幅值之间的比例关系。

对于有阻尼的情况，振动方程可转化为：

（[M]+t）｛u｝=0

以上各式中：

[M]为结构的质量阵；[C]为结构的阻尼阵；[K]为结构的刚度阵；｛u｝为结构的位移阵；{} 为结构的速度阵；｛｝为结构的加速度阵；

模态分析就是求解振动方程的特征值，进而求得结构的固有频率和位移阵｛u｝即结构的振型。

振动方程的特征根方程可表达为:

det

上式即为无阻尼振动系统的特征方程。求解特征值问题的方法很多,如矩阵迭代法、雅可比法、QL法、QR法等等。

固有频率和振型是表示振动系统特征的重要物理量,是进行换热器结构设计必不可少的参数。对于换热器这样的多自由度的大型系统，求出其全部固有频率和振型向量是极其困难的。系统较低的若干阶固有频率及其相应的振型向量对其动态响应的贡献最大,故在研究系统的响应时，只需要了解少数的固有频率和振型向量。

（二） 模态提取方法

有限元软件模态分析的模块中提供了多种模态提取方法,选择适当的提取方法对新结构核电专用板式换热器进行模态分析很重要,它将直接影响求解的速度和精度。以下将比较几种常见的模态提取方法:

1、子空间迭代法用于求解特征值对称的大矩阵的问题。

2、兰索斯法也可用于以上问题,且收敛速度更快。

3、凝聚法采用缩减的系统矩阵来求解,较子空间叠代法速度快,但准确性要差一些。在这种方法里,结构可用主自由度来表示,这样就只产生较小的矩阵。在处理完整矩阵时,如遇到内存不足或磁盘空间不够等情况,可以选择凝聚法。使用凝聚法时,必须仔细选择主自由度,如果主自由度选择不当，可导致错误的质量分布和错误的特征值。

4、非对称矩阵法用于求解模型生成的刚度阵和质量阵不对称的问题。如在声学及流体结构藕合分析中出现的这种情况。

比较常用的方法是子空间迭代法和兰索斯法,这两种方法能使大部分的模态分析得到很好的解决,非对称矩阵法只用于某些特殊的场合。兰索斯法博采众长,它采用稀疏矩阵求解器,运算速度快,输入参数少,特征值、特征向量求解精度高。故本文采用兰索斯法方法提取换热器模态。

二、分析计算过程

（一）计算原结构的固有频率并分析计算结果

利用ANSYS workbench 15.0建立三维有限元模型，将板片和胶垫的质量平均分配到固定端压紧板和活动端压紧板，用solid186单元和solid187单元划分网格，共划分184875个单元，666656个节点，对底板施加固定约束。原结构的有限元模型如图1.1所示，原模型的拉杆尺寸为2200mm。用兰索斯法提取结构前6阶模态。前6阶固有频率如表1-1所示，对应的模态如附图1--附图6所示。

图1.1 有限元模型

表1-1 前6阶固有频率

阶数	频率
1.	27.679
2.	27.892
3.	28.056
4.	28.133
5.	28.199
6.	28.275

附图1 原结构第一阶固有频率

从计算结果可以看到，第一阶固有频率为27.679H_z，达不到33H_z。因此需要改进原结构，以提高第一阶固有频率。从附图1-附图6中，可以看出大变形主要集中在四根长拉杆。

附图2 原结构第二阶固有频率

附图3 原结构第三阶固有频率

附图4 原结构第四阶固有频率

附图5 原结构第五阶固有频率

附图6 原结构第六阶固有频率

（二）优化设计原结构

根据原结构的计算结果，对原结构做出如下改进：

1、将四根长拉杆的尺寸由2200mm减为2100mm

2、在立柱上增加8块筋板，以增加立柱的刚性。

筋板的尺寸为223mmX120mmX20mm，筋板的间距为430mm，筋板的位置如图2.2.1所示。

3、在固定端压紧板和活动端压紧板之间焊接两根槽钢，以增加结构刚性，槽钢的位置如图2.2.1所示。

（三）计算新结构的固有频率并分析计算结果

图2.2.1 新结构三维图

利用ANSYS workbench 15.0建立三维有限元模型，将板片和胶垫的质量平均分配到固定端压紧板和活动端压紧板，用solid186单元和solid187单元划分网格，共划分159020个单元，605552个节点，对底板施加固定约束。新结构的有限元模型如图2.3.1所示，用BLOCK LANSUC法提取结构前6阶模态。新结构的前6阶固有频率如表2-1所示，对应的模态如附图7--附图12所示。

图2.3.1新结构的有限元模型

阶数	频率
1.	34.724
2.	34.936
3.	34.96
4.	34.975
5.	34.984
6.	35.037

表2-1新结构的前6阶固有频率

从计算结果可以看到，第一阶固有频率为34.724H_z，超过了33H_z，证明新结构满足抗震性要求。

附图7 新结构第一阶固有频率

附图8 新结构第二阶固有频率

附图9 新结构第三阶固有频率

附图10 新结构第四阶固有频率

附图11 新结构第五阶固有频率

附图12 新结构第六阶固有频率

三、结论

从上述分析计算结果可以看出，适当减短拉杆长度、在立柱上增加筋板、在固定端压紧板和活动端压紧板之间焊接两根槽钢，可以提高结构的固有频率，可以使之满足抗震要求。这为我们以后的设计工作也指明了方向。

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