本文關鍵詞：預應力固定管板式換熱器分析與設計技術研究

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【摘要】：固定管板式換熱器因其結構簡單、承壓能力強、適應性廣、可靠性高等優(yōu)點,在實際工程中得到廣泛應用。但是傳統(tǒng)大型化、高參數化固定管板式換熱器受到溫差應力的影響,其應用受到很大的限制。采用預應力技術可有效降低固定管板式換熱器的溫差應力,提高傳統(tǒng)固定管板式換熱器的安全可靠性,擴大其彈性操作范圍,因此研究預應力固定管板式換熱器的傳熱以及應力特性具有重要的意義,本文主要工作包括:1.本文根據結構模型以及載荷的對稱性,建立固定管板式換熱器1/2軸對稱模型,充分考慮溫度對材料性能參數影響,利用FLUENT提取金屬耦合壁面上的溫度邊界條件,并將其加載到ANSYS結構模型中,研究傳統(tǒng)固定管板式換熱器的應力特性。2.研究壓力載荷、溫度載荷對管板應力特性的影響,并利用ANSYS等效應力線性法對定義路徑上的應力強度進行評定,分析發(fā)現溫度載荷作用對管板應力強度的影響非常顯著。在此基礎之上,提出采用預應力技術降低管殼間溫差引起的溫差應力,并利用應力疊加分析法以及間接耦合分析法進一步驗證預變形載荷作用可有效改善管板應力狀態(tài),提高固定管板式換熱器的彈性操作區(qū)間以及安全可靠性。3.綜合分析管板強度的相關影響參數,在GB151《管殼式換熱器》管板最大彎曲應力計算公式的基礎上利用有限元仿真分析法與彈性基礎板理論聯合求解法,擬合推導得到管板最大彎曲應力計算公式,進一步對管板最大彎曲應力計算校核方法做出改進和完善。探討研究擬合公式中的相關參數對管板最大彎曲應力的影響,其分析結果與經典理論以及工程實際經驗基本一致。根據GB151《管殼式換熱器》標準規(guī)范,計算固定管板式換熱器在不同組合工況下的管板最大彎曲應力,并進行相應的有限元仿真分析計算管板應力強度,然后將兩者結果進行對比分析,進一步驗證管板最大彎曲應力擬合公式的可靠性與準確性。4.搭建實驗平臺,確定實驗測試方案,利用TDS303型靜態(tài)應變儀測試管板的應力分布狀態(tài),并將應力測試數據與有限仿真分析計算結果進行對比,分析發(fā)現兩者的應力變化趨勢基本吻合一致,誤差均在工程允許誤差范圍內,因此進一步驗證有限元仿真分析結果的準確性。
【關鍵詞】：固定管板式換熱器 預應力 應力疊加分析 管板最大彎曲應力
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ051.5
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 換熱器概述12
• 1.2 固定管板式換熱器12-13
• 1.3 常規(guī)降低溫差應力的措施13-15
• 1.4 預應力技術15-17
• 1.5 國內外管殼式換熱器仿真分析發(fā)展狀況17-19
• 1.6 研究意義以及內容19-21
• 1.6.1 研究意義19
• 1.6.2 研究內容19-21
• 第二章 數值模擬仿真基礎與模型的建立21-32
• 2.1 管殼式換熱器的數值模擬仿真21-22
• 2.2 流體流動與傳熱控制方程22-24
• 2.2.1 質量守恒方程22
• 2.2.2 動量守恒方程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兩模方程模型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 有限元網格劃分28-29
• 2.5 邊界條件設置29
• 2.6 數值模擬求解器設置29-31
• 2.6.1 選擇流場分析模型29-30
• 2.6.2 材料屬性設置30
• 2.6.3 能量方程設置30
• 2.6.4 壓力與速度耦合方式30
• 2.6.5 松弛因子的確定30
• 2.6.6 收斂標準的確定30-31
• 2.7 本章小結31-32
• 第三章 固定管板式換熱器熱-結構耦合分析32-51
• 3.1 熱-結構耦合分析法32-33
• 3.1.1 順序耦合分析32
• 3.1.2 直接耦合分析32
• 3.1.3 熱-結構耦合分析方法的實現32-33
• 3.2 溫度加載方式的選擇33
• 3.3 ANSYS與FLUENT溫度場插值方法33-35
• 3.3.1 模型的對應性33-34
• 3.3.2 FLUENT溫度場的插值求解34-35
• 3.4 溫度場分析35-42
• 3.4.1 整體溫度云圖分析35-36
• 3.4.2 管板溫度云圖分析36-39
• 3.4.3 殼體溫度云圖分析39-40
• 3.4.4 換熱管溫度云圖分析40-41
• 3.4.5 溫度場的分析結論41-42
• 3.5 熱應力分析42-49
• 3.5.1 溫度對材料性能參數的影響42-43
• 3.5.2 熱應力分析結果43-47
• 3.5.3 殼體熱應力分析47-49
• 3.5.4 換熱管熱應力分析49
• 3.6 本章小結49-51
• 第四章 不同組合工況下的應力疊加分析51-69
• 4.1 ANSYS等效線性化處理方法51-53
• 4.1.1 等效線性化51
• 4.1.2 評定截面的定義51-52
• 4.1.3 應力強度計算以及評定52-53
• 4.2 殼程壓力載荷對管板應力強度的影響53-56
• 4.3 管程壓力載荷對管板應力強度的影響56-58
• 4.4 溫度載荷對管板應力強度的影響58-61
• 4.5 預變形載荷加載分析61-65
• 4.5.1 預變形加載方式的選擇61-62
• 4.5.2 預變形載荷對管板應力強度的影響62-65
• 4.6 組合工況下的應力疊加分析65-68
• 4.6.1 預變形載荷加載前后的應力疊加分析65-67
• 4.6.2 應力疊加分析法與間接耦合分析法的對比67-68
• 4.7 本章小結68-69
• 第五章 管板應力擬合公式綜合分析69-90
• 5.1 影響管板強度的相關參數69-71
• 5.2 確定管殼間溫差引起的當量壓力載荷71-74
• 5.3 管板應力擬合公式的確定74-80
• 5.4 管板應力擬合公式的驗證分析80-82
• 5.4.1 常規(guī)換熱器管板強度的校核分析81-82
• 5.4.2 預應力換熱器管板應力強度的校核分析82
• 5.5 管板厚度設計公式對比分析82-84
• 5.6 管板應力實例分析84-89
• 5.7 本章小結89-90
• 第六章 實驗測試與模擬仿真對比分析90-101
• 6.1 實驗準備工作90-93
• 6.1.1 實驗平臺系統(tǒng)90-91
• 6.1.2 布片方案91-92
• 6.1.3 貼片與防護92
• 6.1.4 預變形加載92-93
• 6.2 實驗測試流程93
• 6.3 實驗驗證分析93-100
• 6.3.1 實驗數據處理方法93-94
• 6.3.2 模擬仿真對比路徑的定義94
• 6.3.3 正常操作工況下的應力測試分析94-96
• 6.3.4 預變形載荷作用下的應力測試分析96-100
• 6.4 實驗誤差分析100
• 6.5 本章小結100-101
• 結論101-103
• 參考文獻103-108
• 攻讀碩士學位期間取得的研究成果108-109
• 致謝109-110
• 附件110

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本文編號：1101457