本文概括地介绍了换热器,阐述了管壳式换热器通用的强度计算方法及其理论,说明了有限元分析方法在换热器设计方面的应用。对于管板上管束非对称布置的换热器,无法采用通用的计算方法进行强度校核,只能采用数值求解的方法进行计算。本文即对这种带有异型管板的管壳式换热器,采用有限元数值求解的方法,进行了结构应力分析和设计改进方面的研究,另外,还对相关的强度计算公式进行了理论推导。 介绍了结构温度场有限元分析的基本理论,合理地建立了固定管板式换热器温度场分析有限元模型,计算得到温度场,总结其分布规律,发现结构的各部分之间存在着较大的温差,可能产生较高的温差应力,同时还将该结果同其它边界条件下的计算结果进行了比较。 讨论了几种换热器结构有限元分析模型的特点,提出了针对本文问题的有限元模型:用杆单元模拟换热管,其它部分用实体单元来模拟。该模型同温度场有限元分析模型保持高度一致,既保证计算准确,降低计算规模,也符合国家规范和力学原理。在5个工况下,对结构进行了应力分析,总结出结构总体、管板局部应力和换热管拉脱力的特点和规律,同时发现强度校核不通过,并提出了未来结构改进的指导意见。 对增加壳体厚度的结构进行应力分析和强度校核,并对计算结果进行了分析和总结。通过对温度载荷和力的载荷下结构应力的分析研究,发现正常操作工况中,对于这种有异型管板的换热器,其不均匀分布的温度载荷对结构应力大小起主要作用。改变管板厚度后进行有限元分析,发现结构在温度载荷、其它力的载荷下和全部载荷的作用下,管板和壳体连接处的应力水平随着管板厚度改变的不同变化规律。 根据上述的分析研究结果,在原换热器结构设计的基础上,通过采用减少管板厚度、在管板兼法兰和壳体间增加筋板等4项措施,改进设计了换热器。对该换热器重新进行了应力分析和强度校核,该设计完全满足强度要求,并将其应用于工程实际中。 在管板和壳体间不同温度的情况下,根据板壳理论,得到管板和壳体在约束反力和温度载荷作用下的内力和位移计算公式,并根据管板和壳体连接处的变形协调条件,推导得到该约束反力的计算公式,从而得到管板和壳体上各项内力和位移的计算公式。通过算例,将该公式的计算结果和有限元法计算的结果进行对比,验证了该公式的有效性。 针对—U形管式换热器的管板,建立了其结构有限元分析模型,在4个工况下对其进行应力分析,并对管板的膜应力、膜+弯曲应力和换热管的拉脱力进行强度校核,总结出管板总体应力、管桥局部应力和强度校核的特点和规律。