管壳式换热器（又名热交换器）是应用最广的换热设备。随着工业的发展和装置大型化，以及运行环境多样化，管壳式换热器也呈现结构复杂化、尺寸大型化、压力或温度高参数化的发展趋势，针对新趋势、新需求，对换热器进行精准设计、轻量化设计和优化设计的要求越来越高。本论文针对浮头换热器管板设计、管子失稳设计和双管板强度设计等存在的问题，提出新的计算模型、推导解析解、开发计算程序、研究管子失稳、分析双管板温度场及进行强度计算。主要研究内容与结论如下:
　　(1)针对浮头式换热器两管板直径不等、厚度不等、材料不同的问题，提出了非对称力学模型，并应用板壳理论推导得到了浮头式换热器管板非对称解析解，并开发了设计软件。由该解析解能计算浮头式换热器两管板各点的径向应力和周向应力，管板周边偏转角以及各位置处换热管的轴向应力。计算发现，由于浮头换热器中浮动端管板直径一般较固定端管板直径小，因此，当两端管板厚度和材料相同时，无论径向应力和周向应力，浮动端管板比固定端管板小。所以，在同样的强度评定判据下，浮动端管板厚度可以减小。针对实际结构换热器，采用本文提出的非对称解析解得到的结果和有限元模拟计算结果非常一致，表明非对称分析理论是可靠的、精确的。而且非对称解析解涵盖了ASME、GB/T151及JB4732等现行标准中采用的对称理论解析解。非对称解析解的提出使得浮头式换热器管板设计更合理、更精确、更经济。
　　(2)针对尾端带膨胀节浮头换热器结构，提出了管板与管束强度设计力学模型，模型考虑了管板受压面积变化、膨胀节刚度影响、膨胀节内腔压力作用以及膨胀节在压力下与管板系统的协调关系。基于该力学模型，应用板壳理论推导得到了尾端带膨胀节浮头换热器管板设计解析解，并开发了设计软件，该解析解能计算浮头式换热器管板各点的径向应力和周向应力、管板周边偏转角以及各位置处换热管的轴向应力。计算发现，无论在壳程压力ps还是管程压力pt作用下，后端带膨胀节浮头换热器管板上的应力水平小于后端无膨胀节装置的普通浮头换热器管板的应力水平，意味着采用普通浮头换热器管板设计标准进行后端带膨胀节浮头换热器管板设计过于保守。有限元数值验算表明，所提出的解析解是精确可信的。尾端带膨胀节浮头换热器管板强度理论的提出，填补了目前工程设计计算方法的空白，也为相关专业标准的发展和完善奠定了一定的基础。
　　(3)针对浮头换热器管子失稳问题，研究发现，当换热管长细比较小时，换热管的失稳模态并非是欧拉单杆失稳模态，在欧拉单杆失稳之前，可能出现其他失稳模态，导致换热管过早失稳。引起管子失稳的轴向压应力来自两个部分。一个是平衡压力载荷所需，另一个是由于管板翘曲引起。后者造成不同位置处换热管所受轴向载荷不相同。管板厚度越小，翘曲变形越大，换热管轴向应力不均匀性也越大。有限元非线性模拟和管束整体失稳试验结果均表明，单杆临界失稳难以反映管束整体承载能力，管束整体失稳载荷会大于目前单杆失稳准则所得到的临界载荷。这是由于单杆临界失稳准则没有考虑管板在相邻换热管之间的相互协调作用。因此，应从管束整体结构承载能力去评价管束失稳临界载荷。
　　(4)针对双管板的强度设计，研究发现，在外管板中，除存在径向温度梯度外，在厚度方向上几乎没有温度梯度。而内管板温度场除受介质温度、对流传热系数、污垢因子影响外，还受换热管与管板之间接触热阻的影响，在厚度方向上均存在较大温度梯度，温差应力对管板强度影响较大。在双管板强度计算中，可用参数K或m来表征管板的变形;当计算换热管轴向应力和壳侧简体轴向应力时，应将双管板视为等效的空间整体结构，对抗弯刚度进行折算。最后，论文在分析和数值验证的基础上，提出了连接式双管板强度合理计算方案。