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1、学号 14071900457 毕业设计(论文)题目：某换热器膨胀节的设计和有限元分析作 者 曹根 届 别 2011届 院 别 机械工程学院 专 业 机 自 指导教师 谭晶莹 职 称 副教授 完成时间 2011年5月20日 湖南理工学院毕业设计(论文)- I -摘摘 要要本文应用ANSYS有限元分析软件，对某一台带三层型膨胀节的换热器进行了有限元分析。本课题主要做了以下研究工作：首先，为简化计算模型，研究了三层型膨胀节和单层型膨胀节在刚度和强度上的等效问题，并采用刚度等效后的单层型膨胀节作为之后建立换热器整体模型的膨胀节。其次，在分析换热器几何结构和工艺条件的基础上，建立了带单层型膨胀节换热器的
2、有限元模型。考虑到结构的复杂性，建立模型时对管板和换热管进行了简化。第三，对换热器整体及换热管进行了传热计算，得到了换热器的整体温度场。最后，进行了换热器在管程压力、壳程压力、温度载荷及其组合载荷工况作用下的强度计算，得到了各种工况下的整体和局部的应力强度。同时，根据有限元的计算结果，依据JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准 ，对换热器整体和膨胀节部分进行了应力评定。计算分析表明，经改进膨胀节加强方式后的换热器整体及局部均满足强度要求，该加强方式是可行的，该换热器是安全可靠的。本文的分析计算结果对此类复杂状况换热器的设计优化提供了一定计算依据。关键词：膨胀节；换热器；有限元分析；温
3、度场；刚度等效；加强方式湖南理工学院毕业设计(论文)- II -ABSTRACTIn this thesis，a four-tube side heat exchanger with the 3-layerexpansion joint is studied by the finite element analysis in using ANSYS softwareIn this thesis，research works are done as followsFirst of all，the monolayerexpansion joint is compared with the 3-la
4、yerexpansion joint in strength and stiffnessThe equivalent stiffness of monolayerexpansion joint is used in the whole heat exchangerSecondly, geometric model and finite element analysis model of the whole heat exchange, with monolayer expansion joint are built，it is based on the dimensions and proce
5、ssing of the equipment and consideration of its complexityThirdly, temperature field and thermal stress of the heat exchanger are calculated by using the heat transfer calculations which are handled with the shell and tube of the heat exchangerFinally, the strength of the heat exchanger is analyzed
6、by the finite element model under various of combined loads from pressure in the tube，shell and temperature changing，and then stress intensity under the various of cases and location are obtainedThen according to the JB4732-1995Steel pressure vessels-Design by analysis，stresses in results of finite
7、element analysis are assessedThe analysis results show that the whole model and its elements of the heat exchanger meet the strength requirement by using new strength mode of the expansion jointSo the new mode is feasible，the design of the equipment is safeThis analysis results can be used as useful
8、 reference data to optimized design in the complex heat exchangerKeywords: expansion joint; heat exchanger; finite element analysis; temperature field; equivalent stiffness; strength mode湖南理工学院毕业设计(论文)- III -目 录摘 要.I ABSTRACT.II 1 引言1 1.1 课题来源.1 1.2 论文选题的目的及意义.1 1.3 课题历史、现状和前沿发展情况.1 1.4 本课题分析研究的内容.3
9、 2 分析计算条件52.1 膨胀节的分析计算条件.5 2.2 换热器的分析计算条件.6 3有限元模型的建立7 3.1 ANSYS 通用有限源程序简介7 3.2 接触问题简介.7 3.3 膨胀节有限元模型的建立8 3.4 换热器有限元模型的建立.11 3.5 约束条件.13 3.6 载荷工况.13 4 膨胀节部分的讨论17 4.1 三层与单层 型膨胀节刚度等效结果17 4.2 三层与单层 型膨胀节的强度等效结果.19 4.3 本章小结.22 5 温度载荷下膨胀节的讨论24 5.1 换热器的热应力分析.25 6 换热器整体结构的工况分析及应力评定29 6.1 载荷工况下的整体应力分析计算.29 6
10、.2 应力强度评定30 6.3 本章小结.33 7 结论与展望35 参考文献36 致谢38湖南理工学院毕业设计(论文)11 引言引言1.1 课题来源课题来源本项目是自选课题，对带有膨胀节的换热器进行应力分析和整体强度计算，以验证固定管板式换热器膨胀节处及换热器整体强度的安全。1.2 论文选题的目的及意义论文选题的目的及意义膨胀节是为补偿因温度差及机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳体或管道上的一种挠性结构。其能够吸收轴向、横向以及角位移，具有工作可靠、性能良好、结构紧凑、经济性优秀等优点1。无论在研究、设计还是制造等方面，我国的膨胀节行业与发达国家相比都还具有一定的差距。随着我国国力的增强，
11、经济的发展，制造业的崛起，膨胀节的需求量也在不断攀升。对膨胀节的研究有理论计算、实验以及有限元分析等几种常用的方法。随着世界科技的不断发展，计算机技术的普及应用，有限元已经被人们广泛认识并大量使用。实践证实，采用有限元分析来设计、验证和分析膨胀节是现实的、可靠的数值模拟仿真方法，它能使设计、校核更方便、更省时、更经济、更有显著的经济效益，能使膨胀节行业、压力容器行业乃至我国整个制造业得到更加有益的发展。因此，本课题也选用有限元分析研究多层膨胀节及带膨胀节的换热器。同时学习有限元及软件 ANSYS 能为以后读研提前打下基础知识，这对于学习和工作都是大有益处的！1.3 课题历史、现状和前沿发展情况
12、课题历史、现状和前沿发展情况膨胀节广泛用于电力、炼油、石油、化工、冶金、航空、航天、船舶、核能、机械、建筑等工业部门中管道或设备的热位移补偿、动力隔振以及管道与管道、管道与设备、设备与设备的柔性连接2。湖南理工学院毕业设计(论文)2无论设备或是管路，对膨胀节这类补偿装置的基本要求都是：具有一定的承压能力、较大的补偿量、合适的刚度、足够的强度、有可靠的使用寿命。另外，易于制造与维修、价格低廉、安全可靠等特点也是对这些补偿装置的要求。膨胀节按层数可分为单层和多层膨胀节：按波形可分为 U 形(目前广泛使用)、 形、S 形和 V 形；按加工工艺方法可分为机械涨型、液压成型、焊接成型、和电沉积成型等3。
13、 形膨胀节，是由圆环形截面的波壳与附在开口波谷处直边段上的加强环所组成的4。近年来，随着经济的发展，大型化设备广泛使用，与之相配套的压力及温度等参数也不断增高，因此，具有能承载较高压力、制造工艺较为简单、应力分布均匀、不易产生应力集中等特点的 形膨胀节被越来越多的使用。多层膨胀节是由套合的多层薄壳构成，它具有刚度小、补偿量大及承压高等特点5。多层膨胀节比之单层膨胀节更为复杂，不仅涉及几何非线性、材料非线性，而且包括结构边界非线性(接触问题)。对于膨胀节的设计、理论计算及校核，我国主要使用 GB-16749-1997(适用于压力容器)和 GBT12777-1999(适用于管道)作为行业标准。设计
14、固定管板式换热器的过程中，当管程、壳程的温差和压力达到一定值时，需要考虑在壳体上设置膨胀节；不论采用何种方法设计膨胀节，基本上都可以从两个方面考虑压力和温差对膨胀节所引起的各项应力，一是由换热器管程压力对膨胀节引起薄膜和弯曲应力，二是由于要求膨胀节产生轴向伸缩量以起到补偿作用，对膨胀节沿轴向的拉伸或压缩使膨胀节产生薄膜和弯曲应力6。70 年代以前，膨胀节的结构分析计算主要采用解析法。主要根据近似壳体、近似圆柱体、近似简单梁的假设，根据弹性理论得到膨胀节的应力-应变值7。但是，这样计算出来的结果跟实际实验结果存在着较大误差，一般需要使用标准中图表中给出的修正系数来确定一个修正值。70 年代以后，
15、伴随着计算机技术的飞速发展与广泛应用，大量数值仿真模拟软件的出现，有限元分析在结构分析中的地位日益突出。有限元在分析以及解决非线性问题，如几何非线性、材料非线性和结构非线性问题方面的独特优势使其为越来越多的研究、设计人员所接受并应用。此种方法目前广泛应用于设计以及生产部门。湖南理工学院毕业设计(论文)3有限单元法(或称有限元法)是将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域(单元)，并通过它们边界上的结点相互连接成为组合体8。用每个单元内所假设的近似函数来表示全求解域内待求的未知场变量。同时每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各个结点上的数值和与其对应的插值函数来表达，通常表达式为矩阵形式。场函数在联结相邻单元的结点上，应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量。因此，求解原来待求场函数的无穷多自由度问题转化为求解场函数结点值的有限自由度问题。由原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量的代数方程组。用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。由于单元在空间可以是一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元之间可以采用不同的联结方式，这样一来，工程实际中遇到的复杂的结构及或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。有限元法开始是对线弹性的应力分析问题提出的，很快就发展到弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题等，并进一步应
