[发明专利]基于多尺度均匀化理论的太阳能换热设备管板计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能换热设备管板的计算方法。

背景技术

光热太阳能换热设备的管板有以下几个特点：1、管板承受疲劳载荷，在管板设计时需要考虑进行详细的分析设计。2、某些设备的管板布管区形式超出了按规范设计的范围，需要寻找其他方法进行计算。3、某些管板布管数量巨大，很难实现全模型的有限单元法模拟。

管板是换热设备的重要承压部件，有重要的结构和功能作用。管板由布管区、非布管区、兼做法兰区以及其他附属部件组成，其典型特点是管板分布大量开孔，结构计算十分复杂，无法进行精确的手算。目前国家标准中关于多孔管板结构的设计还在使用半经验半试验的公式，这种设计方法虽然使用灵活，但使用范围限定了管板结构，计算结果也存在一定的偏差。近年来，随着计算机技术和有限元法的高速发展，多孔板结构计算的可行性已经基本实现。但由于多孔的特点，管板结构有限元建模十分繁杂，如果按照实际结构，采用三维实体建模的方式处理，会使得模型过于庞大，模型的单元划分也难以把握，导致计算成本过高或者结果精度欠佳。而且实际工程中，管板型式多种多样，根本不可能逐一进行有限元建模并计算。因此工程设计实践中必须采用多孔管板结构的等效设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多尺度均匀化理论的太阳能换热设备管板计算方法，以解决现有技术计算成本过高或者结果精度欠佳的问题。本发明通过如下步骤实现：一、根据管板布管特征，将管板布管区划分成若干周期性单元；二、取其中一单元，应用真实的材料属性模拟这一周期属性单元在特定载荷下的力学特性；三、取一个实心单元，应用各向异性材料属性，使这一单元在同样的特定载荷下与周期性单元具有相同的力学特征；并将此时赋予材料的各向异性材料属性定义为等效材料属性，这一单元定义为等效单元；四、根据多尺度均匀化理论，将等效单元组合成整体的布管区域，并将这种等效材料属性当作材料的均匀属性应用于布管区；五、组合具有各向异性材料属性的布管区和具有各向同性材料属性的非布管区，成为既能反应布管区各向异性特征，又能反应非布管区各向同性特征的有限元管板等效模型；六、利用有限元数值计算方法对整个管板进行模拟计算。

本发明内容对管板的结构做合理等效，使具有大规模管孔的管板计算更加高效、结果更加精确。本发明较之国家标准的管板计算方法，具有不受结构限制、计算结果精确、应力考核点不受限制的优点；本发明较之完全建模的有限元法，具有应用灵活、计算成本低、效率高等优点，尤其在具有大规模管孔的多孔板设计上本发明具有明显的优势。

本发明方法的核心内容是在管板计算中引入宏观领域的多尺度均匀化理论，以用来等效管板的布管区域模型及材料属性。管板布管区域可以看成由管孔和管桥组成，也可以将布管区看成由一个管孔以及周围的管桥所构成的周期性单元（见附图）组成。本发明应用有限单元法模拟布管区单个周期性单元的材料属性，将带有管孔的单个周期性单元等效为没有管孔的实心单元，并应用宏观领域的多尺度均匀化理论将实心单元材料属性应用于整个布管区。该方法的思路是从非均质材料中选取一个具有代表性的单胞，然后对单胞进行深入研究，并将其平均性质作为材料宏观性质的表征。本发明相对于现有技术具有计算成本低和计算结果精度高的优点。

附图说明

图1从左至右给出了管板模型的等效过程示意图。图中1代表等效前的四分之一管板，2代表等效后的四分之一管板，3代表周期性单元，4代表等效周期性单元。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式通过下述步骤实现：一、根据管板布管特征，将管板布管区划分成若干周期性单元；二、取其中一单元，应用真实的材料属性模拟这一周期属性单元在特定载荷下的力学特性；三、取一个实心单元，应用各向异性材料属性，使这一单元在同样的特定载荷下与周期性单元具有相同的力学特征；并将此时赋予材料的各向异性材料属性定义为等效材料属性，这一单元定义为等效单元；四、根据多尺度均匀化理论，将等效单元组合成整体的布管区域，并将这种等效材料属性当作材料的均匀属性应用于布管区；五、组合具有各向异性材料属性的布管区和具有各向同性材料属性的非布管区，成为既能反应布管区各向异性特征，又能反应非布管区各向同性特征的有限元管板等效模型；六、利用有限元数值计算方法对整个管板进行模拟计算。

本发明的理论基础如下：