有限元分析技术在管板轻量化设计中的应用

论文摘要

换热器在工业生产中广泛应用,管板是该设备的关键部件,对设备的安全运行、节能降耗以及降低成本等方面起着非常重要的作用。随着国内外经济的不断发展,工业生产规模不断增加,换热器越来越大型化,对管板合理的设计也越来越重要。由于计算精度高,有限元数值分析方法在工程结构设计中的应用越来越多,应用有限元分析手段并结合分析设计方法对管板进行设计是管板轻量化设计的方向,优点主要体现在两方面,一是改进管板结构,二是降低管板厚。本论文结合两实际应用的大型管板结构进行这方面的分析。建立了甲醇合成塔下管板有限元分析模型,对水压试验工况、初始设计工况、末期操作工况等三种工况下的原管板结构进行了应力分析和强度评定,结果发现在水压试验工况下的管板局部强度不满足JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》的要求,增加管板厚度虽然能通过强度校核,但成本提高,且应力分布不合理。根据管板应力分布,提出了管板结构改进措施,包括管板中心结构和管板与壳体连接结构,再次应用有限元分析表明,改进后的结构在三种工况下都能够通过强度校核。而且改进后的下管板厚度比原始结构减少了40mm,达到节约材料、减少制造成本的目的。就循环油蒸汽发生器管板开裂问题,建立了该发生器有限元分析模型,并进行了七种组合工况（管程水压试验压力、壳程水压试验压力、单独温度载荷、管程工作压力、壳程工作压力、管程工作压力+温度载荷、壳程工作压力+温度载荷）的应力分析。结果表明,换热管对管板的实际支撑作用远大于常规设计管板模型中的所考虑的大小,和常规设计相比,按照有限元计算并结合分析设计方法可以显著的降低管板厚度,而管板厚度的降低能有效减小管板中的热应力,从而降低管板开裂的可能性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 管板研究概述
• 1.2.1 管板设计方法介绍
• 1.2.2 管板设计的研究进展
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 甲醇合成塔原始结构的有限元分析及强度校核
• 2.1 甲醇合成塔主要的结构和几何尺寸
• 2.2 甲醇合成塔有限元模型的建立
• 2.2.1 几何建模中的简化
• 2.2.2 下管板的几何模型
• 2.2.3 单元的选择
• 2.2.4 网格划分及敏感度测试
• 2.3 原始结构的下管板强度分析
• 2.3.1 载荷及边界条件的施加
• 2.3.2 材料属性
• 2.3.3 强度校核的依据
• 2.3.4 下管板有限元计算结果与应力评定
• 2.4 本章小结
• 第三章 甲醇合成塔下管板结构改进后的强度分析
• 3.1 修改过渡圆角尺寸的下管板强度分析
• 3.1.1 修改后的主要结构及尺寸
• 3.1.2 修改过渡圆角尺寸后危险工况的有限元计算结果
• 3.1.3 修改过渡圆角尺寸后危险工况的应力评定
• 3.1.4 修改过渡圆角尺寸后分析结果的讨论
• 3.2 改进过渡圆角结构的下管板强度分析
• 3.2.1 改进过渡圆角结构后下管板的几何模型及有限元模型
• 3.2.2 改进过渡圆角结构后下管板应力评定路径的位置
• 3.2.3 改进过渡圆角结构后危险工况的有限元计算结果
• 3.2.4 改进过渡圆角结构后危险工况的应力评定
• 3.3 本章小结
• 第四章 循环油蒸汽发生器有限元模型的建立
• 4.1 概述
• 4.2 循环油蒸汽发生器技术资料与数据
• 4.2.1 结构尺寸
• 4.2.2 工艺参数
• 4.3 建模中的简化及等效载荷
• 4.3.1 建模中的省略与简化
• 4.3.2 等效集中力载荷、对流传热系数和温度边界条件的施加
• 4.4 循环油蒸汽发生器的有限元模型
• 第五章 循环油蒸汽发生器管板的强度分析
• 5.1 材料属性及强度校核的依据
• 5.2 应力评定路径的位置
• 5.3 H=206mm危险工况的有限元计算结果与应力评定
• 5.3.1 H=206mm管板热应力分析
• 5.3.2 H=206mm管板热应力结构耦合分析
• 5.3.3 H=206mm管板分析结果讨论
• 5.4 H=76mm危险工况的有限元计算结果与应力评定
• 5.4.1 H=76mm管板热应力分析
• 5.4.2 H=76mm管板热应力结构耦合分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的主要结论
• 6.2 对于本课题研究的展望
• 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
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书