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自紧密封U型管式换热器的有限元分析

作　者: 关志超
导　师: 林玉娟
学　校: 东北石油大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 管壳式换热器管板自紧密封有限元温度场分析应力分析
分类号: TQ051.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 78次
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内容摘要

管壳式换热器是石油化工业中广泛应用的典型工艺设备,管壳式换热器受力非常复杂,正确分析管壳式换热器受力状态,对保证换热器安全运行、节约材料以及对整体换热器的经济性等起到非常重要的作用。综合国内外各类文献资料,平垫自紧密封结构在换热器管板密封中的工程应用实例很少。同时,自紧密封U型管式换热器的整体有限元分析还没有人开展。本文以此契机,对自紧密封U型管式换热器进行了力学行为的研究。本文介绍了管壳式换热器常见的几种结构型式以及U型管式换热器管板的密封类型。对于自紧密封U型管式换热器的管板无法采用传统方法进行设计计算,因此本文应用有限元数值分析方法,对自紧密封U型管式换热器的温度场和应力场进行了研究。由于常见密封结构的计算没有关于平垫自紧密封的计算方法,所以本文进行了平垫自紧密封的相关理论计算,并通过仿真模型的有限元分析验证密封计算式的正确性。自紧密封U型管式换热器的温度场分析部分,介绍了温差应力的产生原因及温度场的分析方法,合理地建立了换热器温度场分析模型,对模型进行了网格划分和加载,求解得到了温度场的分布情况,并对各条路径结果进行了分析与规律总结。研究了自紧密封U型管式换热器上的应力分布情况。根据国标对七种操作工况下管板的应力进行了分析以及强度评定,管板应力强度校核合格。选择了七条路径,研究了管板各路径上的总体应力和局部薄膜应力的分布特点。通过对管板的应力分析,最危险工况及危险部位为自紧密封U型管式换热器的管板与凸台连接处和U型管的弯管处。为自紧密封U型管式换热器的结构设计提供参考。本文对自紧密封U型管式换热器整体建模与局部建模的管板受力进行对比。对模型变化后管板应力的变化情况,以及换热管内、外壁处的应力及其轴向应力的改变。本文全面深入的研究了自紧密封U型管式换热器,分析总结了自紧密封U型管式换热器的力学行为特点,并提供了大量的分析结果,对于该类型换热器的进一步研究具有一定的应用价值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-6
创新点摘要  6-9
第一章绪论  9-16
  1.1 课题来源  9
  1.2 课题目的和意义  9
  1.3 换热器分类及其发展趋势  9-11
  1.4 管壳式换热器相关理论  11-14
    1.4.1 换热器管板分析方法的发展  11-13
    1.4.2 有限元分析方面的研究现状  13-14
  1.5 研究内容  14-15
  1.6 本章小结  15-16
第二章建立自紧密封 U 型管式换热器整体有限元模型  16-31
  2.1 有限元数值分析方法和ANSYS 通用有限元程序简介  16-17
    2.1.1 有限元数值分析的方法简介  16
    2.1.2 ANSYS 有限元软件简介  16-17
  2.2 自紧密封U 型管式换热器的有限元模拟  17-19
    2.2.1 本课题换热器结构  17
    2.2.2 模型主要尺寸  17-18
    2.2.3 工艺参数  18
    2.2.4 材料特性参数  18-19
  2.3 有限元模型的简化  19-20
  2.4 自紧密封U 型管式换热器有限元模型的建立  20-30
    2.4.1 单元类型的选择  20-22
    2.4.2 网格划分及建模  22-24
    2.4.3 边界条件的施加  24-26
    2.4.4 自紧密封的计算及螺栓预紧力的确定  26-30
  2.5 本章小结  30-31
第三章自紧密封 U 型管式换热器稳态温度场分析  31-36
  3.1 温度场分析原理  31-32
    3.1.1 温差应力的产生  31-32
    3.1.2 热分析方式的确定  32
  3.2 模型的建立与载荷的确定  32
  3.3 温度场的分布情况  32-33
  3.4 路径结果分析  33-35
  3.5 本章小结  35-36
第四章自紧密封 U 型管式换热器应力分析和强度校核  36-55
  4.1 应力分析的基本理论及应力的分类及校核方法  36-37
  4.2 应力的种类及强度判定条件  37-39
  4.3 管板的七种操作工况  39-40
  4.4 应力场的模型及载荷  40-54
    4.4.1 应力分析中采用的模型  40
    4.4.2 应力场的载荷与边界条件  40
    4.4.3 壳程先开的工况下的分析(工况3)  40-42
    4.4.4 管程先开的工况下的分析(工况2)  42-44
    4.4.5 管、壳程同时开的工况下的分析(工况4)  44-45
    4.4.6 管、壳程同时停的工况下的分析(工况7)  45-48
    4.4.7 管程先停的工况下的分析(工况5)  48-49
    4.4.8 壳程先停的工况下的分析(工况6)  49-51
    4.4.9 正常操作工况下的分析(工况1)  51-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章自紧密封换热器整体建模与局部建模分析对比  55-64
  5.1 局部建模应力的研究  55-58
    5.1.1 局部建模后管板的结构尺寸  55-56
    5.1.2 局部建模管板的单元选择、建模与加载  56-58
  5.2 整体建模与局部建模管板温度场对比  58-60
  5.3 整体建模与局部建模管板应力的对比  60-63
  5.4 本章小结  63-64
结论与展望  64-65
参考文献  65-68
发表文章目录  68-69
致谢  69-70
论文摘要  70-78

自紧密封U型管式换热器的有限元分析

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