预应力固定管板式换热器分析与设计技术研究

发布时间：2017-10-27 02:09

  本文关键词：预应力固定管板式换热器分析与设计技术研究

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【摘要】：固定管板式换热器因其结构简单、承压能力强、适应性广、可靠性高等优点,在实际工程中得到广泛应用。但是传统大型化、高参数化固定管板式换热器受到温差应力的影响,其应用受到很大的限制。采用预应力技术可有效降低固定管板式换热器的温差应力,提高传统固定管板式换热器的安全可靠性,扩大其弹性操作范围,因此研究预应力固定管板式换热器的传热以及应力特性具有重要的意义,本文主要工作包括:1.本文根据结构模型以及载荷的对称性,建立固定管板式换热器1/2轴对称模型,充分考虑温度对材料性能参数影响,利用FLUENT提取金属耦合壁面上的温度边界条件,并将其加载到ANSYS结构模型中,研究传统固定管板式换热器的应力特性。2.研究压力载荷、温度载荷对管板应力特性的影响,并利用ANSYS等效应力线性法对定义路径上的应力强度进行评定,分析发现温度载荷作用对管板应力强度的影响非常显著。在此基础之上,提出采用预应力技术降低管壳间温差引起的温差应力,并利用应力叠加分析法以及间接耦合分析法进一步验证预变形载荷作用可有效改善管板应力状态,提高固定管板式换热器的弹性操作区间以及安全可靠性。3.综合分析管板强度的相关影响参数,在GB151《管壳式换热器》管板最大弯曲应力计算公式的基础上利用有限元仿真分析法与弹性基础板理论联合求解法,拟合推导得到管板最大弯曲应力计算公式,进一步对管板最大弯曲应力计算校核方法做出改进和完善。探讨研究拟合公式中的相关参数对管板最大弯曲应力的影响,其分析结果与经典理论以及工程实际经验基本一致。根据GB151《管壳式换热器》标准规范,计算固定管板式换热器在不同组合工况下的管板最大弯曲应力,并进行相应的有限元仿真分析计算管板应力强度,然后将两者结果进行对比分析,进一步验证管板最大弯曲应力拟合公式的可靠性与准确性。4.搭建实验平台,确定实验测试方案,利用TDS303型静态应变仪测试管板的应力分布状态,并将应力测试数据与有限仿真分析计算结果进行对比,分析发现两者的应力变化趋势基本吻合一致,误差均在工程允许误差范围内,因此进一步验证有限元仿真分析结果的准确性。
【关键词】：固定管板式换热器 预应力 应力叠加分析 管板最大弯曲应力
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 换热器概述12
• 1.2 固定管板式换热器12-13
• 1.3 常规降低温差应力的措施13-15
• 1.4 预应力技术15-17
• 1.5 国内外管壳式换热器仿真分析发展状况17-19
• 1.6 研究意义以及内容19-21
• 1.6.1 研究意义19
• 1.6.2 研究内容19-21
• 第二章 数值模拟仿真基础与模型的建立21-32
• 2.1 管壳式换热器的数值模拟仿真21-22
• 2.2 流体流动与传热控制方程22-24
• 2.2.1 质量守恒方程22
• 2.2.2 动量守恒方程22-23
• 2.2.3 能量守恒方程23-24
• 2.3 湍流模型24-26
• 2.3.1 零方程模型24
• 2.3.2 一方程模型24-25
• 2.3.3 k -ε两模方程模型25-26
• 2.4 有限元模型的建立26-29
• 2.4.1 建立模型26-28
• 2.4.2 有限元网格划分28-29
• 2.5 边界条件设置29
• 2.6 数值模拟求解器设置29-31
• 2.6.1 选择流场分析模型29-30
• 2.6.2 材料属性设置30
• 2.6.3 能量方程设置30
• 2.6.4 压力与速度耦合方式30
• 2.6.5 松弛因子的确定30
• 2.6.6 收敛标准的确定30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 固定管板式换热器热-结构耦合分析32-51
• 3.1 热-结构耦合分析法32-33
• 3.1.1 顺序耦合分析32
• 3.1.2 直接耦合分析32
• 3.1.3 热-结构耦合分析方法的实现32-33
• 3.2 温度加载方式的选择33
• 3.3 ANSYS与FLUENT温度场插值方法33-35
• 3.3.1 模型的对应性33-34
• 3.3.2 FLUENT温度场的插值求解34-35
• 3.4 温度场分析35-42
• 3.4.1 整体温度云图分析35-36
• 3.4.2 管板温度云图分析36-39
• 3.4.3 壳体温度云图分析39-40
• 3.4.4 换热管温度云图分析40-41
• 3.4.5 温度场的分析结论41-42
• 3.5 热应力分析42-49
• 3.5.1 温度对材料性能参数的影响42-43
• 3.5.2 热应力分析结果43-47
• 3.5.3 壳体热应力分析47-49
• 3.5.4 换热管热应力分析49
• 3.6 本章小结49-51
• 第四章 不同组合工况下的应力叠加分析51-69
• 4.1 ANSYS等效线性化处理方法51-53
• 4.1.1 等效线性化51
• 4.1.2 评定截面的定义51-52
• 4.1.3 应力强度计算以及评定52-53
• 4.2 壳程压力载荷对管板应力强度的影响53-56
• 4.3 管程压力载荷对管板应力强度的影响56-58
• 4.4 温度载荷对管板应力强度的影响58-61
• 4.5 预变形载荷加载分析61-65
• 4.5.1 预变形加载方式的选择61-62
• 4.5.2 预变形载荷对管板应力强度的影响62-65
• 4.6 组合工况下的应力叠加分析65-68
• 4.6.1 预变形载荷加载前后的应力叠加分析65-67
• 4.6.2 应力叠加分析法与间接耦合分析法的对比67-68
• 4.7 本章小结68-69
• 第五章 管板应力拟合公式综合分析69-90
• 5.1 影响管板强度的相关参数69-71
• 5.2 确定管壳间温差引起的当量压力载荷71-74
• 5.3 管板应力拟合公式的确定74-80
• 5.4 管板应力拟合公式的验证分析80-82
• 5.4.1 常规换热器管板强度的校核分析81-82
• 5.4.2 预应力换热器管板应力强度的校核分析82
• 5.5 管板厚度设计公式对比分析82-84
• 5.6 管板应力实例分析84-89
• 5.7 本章小结89-90
• 第六章 实验测试与模拟仿真对比分析90-101
• 6.1 实验准备工作90-93
• 6.1.1 实验平台系统90-91
• 6.1.2 布片方案91-92
• 6.1.3 贴片与防护92
• 6.1.4 预变形加载92-93
• 6.2 实验测试流程93
• 6.3 实验验证分析93-100
• 6.3.1 实验数据处理方法93-94
• 6.3.2 模拟仿真对比路径的定义94
• 6.3.3 正常操作工况下的应力测试分析94-96
• 6.3.4 预变形载荷作用下的应力测试分析96-100
• 6.4 实验误差分析100
• 6.5 本章小结100-101
• 结论101-103
• 参考文献103-108
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果108-109
• 致谢109-110
• 附件110

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本文编号：1101457