带膨胀节多管程换热器的有限元分析

论文摘要

本文应用ANSYS有限元分析软件,对某一台带三层Ω型膨胀节的四管程换热器进行了有限元分析。本课题主要做了以下研究工作：首先,为简化计算模型,研究了三层Ω型膨胀节和单层Ω型膨胀节在刚度和强度上的等效问题,并采用刚度等效后的单层Ω型膨胀节作为之后建立换热器整体模型的膨胀节。其次,在分析换热器几何结构和工艺条件的基础上,建立了带单层Ω型膨胀节换热器的有限元模型。考虑到结构的复杂性,建立模型时对管板和换热管进行了简化。第三,对换热器整体及换热管进行了传热计算,得到了换热器的整体温度场。然后,改进膨胀节的加强方式,建立新的有限元模型。最后,进行了换热器在管程压力、壳程压力、温度载荷及其组合载荷工况作用下的强度计算,得到了各种工况下的整体和局部的应力强度。同时,根据有限元的计算结果,依据JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》,对换热器整体和膨胀节部分进行了应力评定。计算分析表明,经改进膨胀节加强方式后的换热器整体及局部均满足强度要求,该加强方式是可行的,该换热器是安全可靠的。本文的分析计算结果对此类复杂状况换热器的设计优化提供了一定的计算依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 论文选题的目的及意义
• 1.3 课题历史、现状和前沿发展情况
• 1.3.1 前人的研究成果
• 1.4 本课题分析研究的内容
• 第二章 分析计算条件
• 2.1 Ω膨胀节的分析计算条件
• 2.1.1 主要结构尺寸
• 2.1.2 材料属性
• 2.2 换热器的分析计算条件
• 2.2.1 主要结构尺寸
• 2.2.2 工艺条件
• 2.2.3 主要材料属性
• 第三章 三维有限元模型的建立
• 3.1 ANSYS通用有限元程序简介
• 3.2 本课题所选用的单元简介
• 3.2.1 PLANE42二维平面单元
• 3.2.2 CONTA172/TARGE169二维三节点面一面接触单元
• 3.2.3 SOLID45三维实体单元
• 3.2.4 SOLID70热分析实体单元
• 3.2.5 LINK8三维杆单元
• 3.3 接触问题简介
• 3.4 膨胀节有限元模型的建立
• 3.4.1 几何模型与有限元模型的建立
• 3.4.2 约束条件
• 3.4.3 创建接触对
• 3.5 换热器有限元模型的建立
• 3.6 约束条件
• 3.7 载荷工况
• 3.7.1 壳程压力
• 3.7.2 管程压力
• 3.7.3 温度载荷
• 3.7.4 载荷工况组合
• 第四章 膨胀节部分的讨论
• 4.1 三层与单层膨胀节刚度等效结果
• 4.2 三层与单层Ω膨胀节的强度等效结果
• 4.2.1 只受X向位移2mm时,三层与单层Ω膨胀节的强度等效结果
• 4.2.2 三层与单层Ω膨胀节受5.7MPa内压时的强度等效结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 温度载荷下膨胀节加强方式的比较讨论
• 5.1 换热器的热应力分析
• 5.1.1 换热器壳体部分热分析
• 5.1.2 换热管部分热分析
• 5.1.3 热-应力耦合分析
• 5.2 加强方式的讨论
• 5.2.1 加强方式及有限元模型
• 5.2.2 不同加强程度的比较
• 5.3 本章小结
• 第六章 换热器整体结构的工况分析及应力评定
• 6.1 载荷工况下的整体应力分析计算
• 6.1.1 工况一 壳程压力作用下的分析结果
• 6.1.2 工况二 管程压力作用下的分析结果
• 6.1.3 工况三 温度载荷作用下的分析结果
• 6.1.4 工况四 壳程压力与管程压力共同作用下的分析结果
• 6.1.5 工况五 壳程压力与温度载荷共同作用下的分析结果
• 6.1.6 工况六 管程压力与温度载荷共同作用下的分析结果
• 6.1.7 工况七 管、壳程压力与温度载荷共同作用下的分析结果
• 6.2 应力强度评定
• 6.2.1 安全判据
• 6.2.2 各截面应力评定结果
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书