功能梯度材料换热器管板应力分析

发布时间：2020-11-02 07:21

　　 功能梯度材料(Functionally Graded Materials,简称FGM)是一种新型复合材料,具有良好的耐热、抗腐蚀、缓和热应力等性能,在工业飞速发展的今天,功能梯度材料具有广阔的应用前景。功能梯度材料换热器管板是一种根据工艺需求而设计的两相或多相材料呈梯度分布复合而成的管板,通常,材料沿厚度方向呈梯度分布,根据管壳程工况的不同,一般在高温侧设计成耐高温且绝热性能好的材料,在低温侧选择力学性能好的金属材料,两种材料沿管板厚度方向呈现连续梯度变化,从而达到提高管板承载能力、降低成本、减轻重量的目的。在换热器服役环境向着高温高压及大温差发展的今天,FGM管板成为了换热器设计研发人员的研究热点,本文在前人研究的基础上开展了以下工作:(1)基于弹性理论推导了在压力作用下的功能梯度材料换热器管板的应力分布公式,并给出了管板危险点应力的求解公式。(2)结合具体案例,利用ABAQUS对其进行了压力载荷下的有限元分析,首先利用ABAQUS及其子程序USDFLD建立了功能梯度材料管板的有限元模型,然后分别对管壳程压力共同作用时、仅管程压力作用时、仅壳程压力作用时三种工况进行了有限元分析,同时利用推导出的理论解公式求出了管板的应力分布,分别绘制了三种工况下的危险点的径向应力与周向应力的理论解与有限元解分布曲线,验证了理论解的正确性。(3)利用ABAQUS对功能梯度材料管板进行了热力耦合分析,给出了温度场分布及耦合场下的应力分布,随后根据压力容器的应力评定方法简单的介绍了功能梯度材料管板的应力线性化分析及线性化后可以用来评定的应力值。最后讨论了梯度因子对功能梯度管板温度场分布及耦合载荷下的应力分布的影响。
【学位单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34;TK172
【部分图文】：

约占装置建设总投资的 40%以上，为节约成本，各国企业不断研发新型高效换热器，提高热能利用率，降低能源消耗。因此，对于企业来说，合理又高效的换热装置在减少企业投资成本以及提高经济效益方面具有重要影响。高效能紧凑型换热器的研究不可或缺。换热器在其传统领域取得高速发展的同时，在一些特殊领域应用的换热器也得到了相应的发展。现如今，工业的高速发展使得生产工艺向着大型化、复杂化发展，生产工况变得越来越苛刻，高温、高压、腐蚀等服役环境使得换热器从设计、选材、制造等环节都面临着重大挑战。从换热方式分，换热器可分为直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器、中间载热体式换热器等。间壁式换热器式工业上最常用的换热器，常用的类型有管式换热器、板式换热器、空冷器等[14]。1.2.1 蛇管式换热器它是最早出现的一种结构简单和操作方便的传热设备。它本身又可分成沉浸式和喷淋式两种。沉浸式蛇管换热器的换热管密闭在壳体中，整个换热管浸入在壳程的液体里，如图 1.1 所示。喷淋式蛇管换热器采用外部喷淋式进行换热，结构可以使开放的，如图1.2 所示[15][16]。

结构可以使开放的，如图1.2 所示[15][16]。图 1.1 沉浸式蛇管换热器 图 1.2 喷淋式蛇管换热器1.2.2 套管式换热器套管式换热器式以若干段同心管作为传热装置的换热器，每段同心管间以 U 型管连接，其内管为传热元件。通常，热流体（A 流体）由上部引入，而冷流体（B 流体）则由下部引入。套管中外管的两端与内管用焊接或法兰连接。内管与 U 形肘管多用法兰连接，便于传热管的清洗和增减。每程传热管的有效长度取 4～7 米。这种换热器传热面积最高达 18 平方米，故适用于小容量换热。优点是结构简单，耐高压，管内的流体可以有较高的流速，因此可以的到较高的传热系数。缺点是结构不紧凑，金属用量大，

图 1.3 套管式换热器器一种新型紧凑高效式换热器，是板式换热应用于余热回收、空分、低温换热等领域温差较小切需同时处理几种介质的情况下图 1.4 缠绕管式换热器
【参考文献】

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3 冯敏;胡牧原;郑百林;贺鹏飞;;基于Abaqus二次开发用户自定义场的功能梯度材料人体骨骼建模[J];计算机辅助工程;2013年05期

4 焦凤;邓先和;孙大力;洪宇翔;;管束排列及管间距对换热器传热性能的影响[J];石油学报(石油加工);2013年05期

5 陈永东;陈学东;;我国大型换热器的技术进展[J];机械工程学报;2013年10期

6 骆晓玲;刘亮亮;;复合材料压力容器的性能分析[J];机械设计与制造;2011年05期

7 李永泰;刘长虹;何录武;;我国标准管板设计方法与ASME规范的比较及换热器管板应力分析应考虑的问题[J];压力容器;2010年02期

8 支浩;汤慧萍;朱纪磊;;换热器的研究发展现状[J];化工进展;2009年S1期

9 柳雄斌;过增元;;换热器性能分析新方法[J];物理学报;2009年07期

10 金志浩;郭伟;;均匀化理论在管板研究中的应用[J];沈阳化工学院学报;2007年01期

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2 阳明;功能梯度材料结构材料参数识别的梯度有限元法[D];广西大学;2013年

3 陶宪斌;功能梯度材料弹塑性损伤耦合分析[D];哈尔滨工业大学;2011年

4 高颖;FGM板与均匀板的静动态响应解之间的线性转换关系[D];兰州理工大学;2011年

本文编号：2866741