换热器是一种通过温差进行热交换的通用设备,广泛应用于化工,制药,食品,航空等众多工业领域。固定管板式换热器具有结构简单、紧凑、承压能力强、成本低、清洗方便等优点。由于壳体和热交换管之间的温差大,在壳体和热交换管之间产生大的热应力,该类设备的常规设计基于GB150-2011压力容器和GB/T151-2014换热器标准,考虑失效模式进行结构设计和强度校核,相对较为保守。应用有限元方法,利用ANSYS软件分析了固定管板式换热器的传热和流体特性,借以分析在内压和温差载荷下的换热器应力分布特性,探索基于流固耦合的换热器在高温下的应力分布特性的分析设计方法,具有较强的实际工程意义。本文基于热流固耦合理论,以固定管板式换热器为例,通过建立固定管板式换热器的整体物理模型采用CFD的数值模拟方法,分析了模型的流场和温度场特征,并将计算出的换热器温度分布和设计压力作为载荷条件,分析换热器结构的应力分布特征,得到换热器整体的应力分布,并根据JB4732-1995(2005年确认)《钢制压力容器分析设计标准》进行评定,结果表明:该固定管板式换热器局部存在过热应力的问题,这是热交换器在换热管和管板连接处泄漏的主要原因。针对换热器存在的换热管和管板局部热应力过大的问题,对原换热器提出了两种改进方案,即换热管和壳体采用同种材料,以避免由材料线膨胀系数差而导致产生过大的热应力;通过增加管板的厚度,可以有效地减小管板的应力。最后,对改进结构进行热应力分析表明,优化结果可以满足传热管和管板的热应力强度要求。本文的分析设计方法能够较为准确的得到换热器的热应力集中点,有针对性的改进设备,能够保证设备的本质安全性,节约成本,提高设备的使用寿命。