功能梯度材料(Functionally Graded Materials,簡稱FGM)是一種新型復(fù)合材料,具有良好的耐熱、抗腐蝕、緩和熱應(yīng)力等性能,在工業(yè)飛速發(fā)展的今天,功能梯度材料具有廣闊的應(yīng)用前景。功能梯度材料換熱器管板是一種根據(jù)工藝需求而設(shè)計的兩相或多相材料呈梯度分布復(fù)合而成的管板,通常,材料沿厚度方向呈梯度分布,根據(jù)管殼程工況的不同,一般在高溫側(cè)設(shè)計成耐高溫且絕熱性能好的材料,在低溫側(cè)選擇力學(xué)性能好的金屬材料,兩種材料沿管板厚度方向呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化,從而達(dá)到提高管板承載能力、降低成本、減輕重量的目的。在換熱器服役環(huán)境向著高溫高壓及大溫差發(fā)展的今天,FGM管板成為了換熱器設(shè)計研發(fā)人員的研究熱點,本文在前人研究的基礎(chǔ)上開展了以下工作:(1)基于彈性理論推導(dǎo)了在壓力作用下的功能梯度材料換熱器管板的應(yīng)力分布公式,并給出了管板危險點應(yīng)力的求解公式。(2)結(jié)合具體案例,利用ABAQUS對其進(jìn)行了壓力載荷下的有限元分析,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,然后分別對管殼程壓力共同作用時、僅管程壓力作用時、僅殼程壓力作用時三種工況進(jìn)行了有限元分析,同時利用推導(dǎo)出的理論解公式求出了管板的應(yīng)力分布,分別繪制了三種工況下的危險點的徑向應(yīng)力與周向應(yīng)力的理論解與有限元解分布曲線,驗證了理論解的正確性。(3)利用ABAQUS對功能梯度材料管板進(jìn)行了熱力耦合分析,給出了溫度場分布及耦合場下的應(yīng)力分布,隨后根據(jù)壓力容器的應(yīng)力評定方法簡單的介紹了功能梯度材料管板的應(yīng)力線性化分析及線性化后可以用來評定的應(yīng)力值。最后討論了梯度因子對功能梯度管板溫度場分布及耦合載荷下的應(yīng)力分布的影響。
【學(xué)位單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34;TK172
【部分圖文】：

約占裝置建設(shè)總投資的 40%以上，為節(jié)約成本，各國企業(yè)不斷研發(fā)新型高效換熱器，提高熱能利用率，降低能源消耗。因此，對于企業(yè)來說，合理又高效的換熱裝置在減少企業(yè)投資成本以及提高經(jīng)濟效益方面具有重要影響。高效能緊湊型換熱器的研究不可或缺。換熱器在其傳統(tǒng)領(lǐng)域取得高速發(fā)展的同時，在一些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的換熱器也得到了相應(yīng)的發(fā)展�，F(xiàn)如今，工業(yè)的高速發(fā)展使得生產(chǎn)工藝向著大型化、復(fù)雜化發(fā)展，生產(chǎn)工況變得越來越苛刻，高溫、高壓、腐蝕等服役環(huán)境使得換熱器從設(shè)計、選材、制造等環(huán)節(jié)都面臨著重大挑戰(zhàn)。從換熱方式分，換熱器可分為直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器、中間載熱體式換熱器等。間壁式換熱器式工業(yè)上最常用的換熱器，常用的類型有管式換熱器、板式換熱器、空冷器等[14]。1.2.1 蛇管式換熱器它是最早出現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)簡單和操作方便的傳熱設(shè)備。它本身又可分成沉浸式和噴淋式兩種。沉浸式蛇管換熱器的換熱管密閉在殼體中，整個換熱管浸入在殼程的液體里，如圖 1.1 所示。噴淋式蛇管換熱器采用外部噴淋式進(jìn)行換熱，結(jié)構(gòu)可以使開放的，如圖1.2 所示[15][16]。

結(jié)構(gòu)可以使開放的，如圖1.2 所示[15][16]。圖 1.1 沉浸式蛇管換熱器 圖 1.2 噴淋式蛇管換熱器1.2.2 套管式換熱器套管式換熱器式以若干段同心管作為傳熱裝置的換熱器，每段同心管間以 U 型管連接，其內(nèi)管為傳熱元件。通常，熱流體（A 流體）由上部引入，而冷流體（B 流體）則由下部引入。套管中外管的兩端與內(nèi)管用焊接或法蘭連接。內(nèi)管與 U 形肘管多用法蘭連接，便于傳熱管的清洗和增減。每程傳熱管的有效長度取 4～7 米。這種換熱器傳熱面積最高達(dá) 18 平方米，故適用于小容量換熱。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，耐高壓，管內(nèi)的流體可以有較高的流速，因此可以的到較高的傳熱系數(shù)。缺點是結(jié)構(gòu)不緊湊，金屬用量大，

圖 1.3 套管式換熱器器一種新型緊湊高效式換熱器，是板式換熱應(yīng)用于余熱回收、空分、低溫?fù)Q熱等領(lǐng)域溫差較小切需同時處理幾種介質(zhì)的情況下圖 1.4 纏繞管式換熱器
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2866741