复杂载荷作用下带夹套排气冷却器关键技术研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.83MB 74 页 15积分
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摘 要
管壳式换热器在生产技术领域中的应用十分广泛。其关键部件的结构、材料、
性能等对换热器的整体质量及安全运行都有着十分重要的意义。实际工程中，对
于带夹套容器接管与夹套处的连接形式一般有三种，即直接连接、采用套管连接、
采用翻边形式连接，然而对这三种连接结构只有定性认识，并没有做定量分析。
本论文对某带夹套冷却器在复杂载荷作用下的关键技术进行有限元分析与研究，
主要的工作和结论如下：
（1）根据冷却器实际结构，合理简化，建立有限元模型，包括上下管箱和壳
程。
（2）借助有限元分析软件 ANSYS，对排气冷却器上管箱的三种不同结构分
别进行计算，分析了其在设计工况下的应力强度、操作工况下的温度场、热应力
及组合应力的分布，并进行了疲劳寿命分析，对三种不同结构的计算结果进行分
析讨论，比较其应力分布和疲劳寿命，分析各结构优缺点，以确定三种结构的适
用范围。
（3）采用 ANSYS 参数化设计语言（ANSYS Parametric Design Language，简
称APDL），对排气冷却器的壳程结构进行建模、材料参数设定、网格划分、加载，
计算壳程设计工况应力强度，操作工况温度场、热应力，并进行了疲劳寿命分析。
其中根据受力情况，判定壳程是否需要膨胀节。
（4）利用 ANSYS 分析了排气冷却器下管箱在设计工况下应力强度、操作工
况下温度场、热应力及组合应力的分布。
（5）对排气冷却器关键部件的制造和总装进行了探讨。为冷却换热器的设计、
制造提供可靠的依据。
本文的研究成果对带夹套容器的结构设计有重要意义，为工程应用提供参考。
关键词： 冷却器 夹套 有限元分析 结构对比
ABSTRACT
The tube -and- shell heat exchanger is widely used in the production technique
field. The structure, material and function of the key components are of vital importance
to the whole quality and safe operation of the exchanger. In the practical engineering,
there are usually three kinds of connection between the tube and the jacket—the direct
connection, the connection with casing, the flanged connection, which are only
recognized from the qualitative perspective without any quantitative analysis. This
paper analyzes and studies the key technology of the cooler with jacket under the
complicated loading and the main tasks and connections are as follows:
(1) Based on the practical structure of the cooler, establish a finite element model
by rational simplification, including the top channel, bottom channel and the shell side.
(2) Separately calculate the three structures of the top channel of the exhaust cooler,
analyze the strength stress in the design conditions, the distribution of temperature field,
thermal stress and combined stress in the operation conditions by the ANSYS and make
the fatigue life analysis. Discuss and analyze the calculation results of the three
structures and compare the stress distribution and the fatigue life. Analyze the merits
and demerits of each structure to define the applicable scope of the three structures.
(3) Apply the ANSYS Parametric Design Language to establish the model, set the
material parameter, mesh and load to the shell side structure of the exhaust cooler.
Calculate the stress intensity in the design conditions, the temperature field and thermal
stress in the operation conditions and make the fatigue life analysis to the shell side.
Determine whether to use the expansion joint to the shell side according to the stress
conditions.
(4) Analyze the strength stress in the design conditions, the distribution of
temperature field, thermal stress and combined stress of the bottom channel of the
exhaust cooler by ANSYS.
(5) Discuss the manufacture of the key components of the exhaust cooler so as to
provide the basis for the design and manufacture of the cooling heat exchanger. The
research result of this paper is important to the structure design of the container with the
jacket and provides references to the engineering applications.
Key words: cooler, jacket, finite element analysis, structure
comparison
符号表
Di 筒体内径 mm
Pc 计算压力 MPa
δ 计算厚度 mm
δn 名义厚度 mm
Sm 设计温度下的许用应力强度 MPa
e 自然对数的底
C2 腐蚀余量裕量 mm
P 计算设计压力 MPa
et
P 施加在接管端面的平衡载荷 MPa
do 接管外径 mm
di 接管内径 mm
Fb 在操作工况下的的螺栓载荷 N
DG 垫片压紧力作用中心圆计算直径 mm
b 垫片有效密封宽度 mm
m 垫片系数
Ro 螺栓所在中心圆的半径与螺栓半径之和 mm
Ri 螺栓所在中心圆的半径与螺栓半径之差 mm
bo 密封基本宽度 mm
K 载荷组合系数
Pm 一次总体薄膜应力
PL 一次局部薄膜应力
Pb 一次弯曲应力
Q 二次应力
FX X方向的集中力 N
FY Y方向的集中力 N
FZ Z方向的集中力 N
MX X方向的集中弯矩 N·mm
MY Y方向的集中弯矩 N·mm
MZ Z方向的集中弯矩 N·mm
S 应力范围 MPa
Salt 应力强度幅值 MPa
Sa 修正后的应力幅值 MPa
N 许用疲劳次数 次
U 累积使用系数
Peg 垫片有效密封宽度范围内的平衡压力 MPa
r
C 系数
d 换热管外径 mm
Et 设计温度时，换热管材料的弹性模量 MPa
i 换热管的回转半径，
(
)
2
2
0.25 2 t
idd
δ
=+−
mm
cr
l 换热管受压失稳当量长度，按图 4-22 确定 mm
t
δ
换热管壁厚 mm
t
s
σ
设计温度时，换热管材料的屈服点 MPa
[
]
cr
σ
换热管稳定许用应力 MPa
F 管子的轴向力 N
Fg 水平地震力 N
mp 集中于单质点的质量 kg
g 重力加速度 m/s2
地震载荷系数，
Tg 特性周期，按场地土的类型及震区类型确定
max
α
地震影响系数最大值
I
目 录
摘 要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论 .................................................... 1
§1.1 课题的研究与发展状况 .................................. 1
§1.2 课题研究目的和研究意义 ................................ 2
§1.3 本文的主要工作 ........................................ 3
第二章 有限元基础与分析计算概述 ................................ 5
§2.1 有限元基础 ............................................ 5
§2.1.1 有限元方法的概念 ................................ 5
§2.1.2 热—结构耦合分析基础 ............................ 6
§2.1.3 有限元分析技术与基本步骤 ....................... 7
§2.2 分析设计概述 .......................................... 8
§2.2.1 设计工况简介 .................................... 8
§2.2.2 载荷分析与厚度计算 .............................. 9
§2.3 有限元计算概述 ....................................... 12
§2.3.1 计算过程综述 ................................... 12
§2.3.2 对分析计算的一些说明 ........................... 13
§2.4 本章小结 ............................................. 14
第三章 上管箱有限元分析及结构对比 ............................. 15
§3.1 直接连接结构形式的上管箱有限元分析 ................... 16
§3.1.1 工况 1 .......................................... 17
§3.1.2 工况 2 .......................................... 18
§3.1.3 工况 3 .......................................... 19
§3.1.4 工况 4 .......................................... 21
§3.2 套管结构形式的上管箱有限元分析 ....................... 23
§3.2.1 工况 1 .......................................... 23
§3.2.2 工况 2 .......................................... 24
§3.2.3 工况 3 .......................................... 25
§3.2.4 工况 4 .......................................... 26
§3.3 采用翻边结构形式的上管箱有限元分析 ................... 27
II
§3.3.1 工况 1 .......................................... 28
§3.3.2 工况 2 .......................................... 29
§3.3.3 工况 3 .......................................... 29
§3.3.4 工况 4 .......................................... 31
§3.4 三种结构对比 ......................................... 32
§3.5 疲劳分析 ............................................. 37
第四章 换热管与管板连接接头有限元分析 ......................... 40
§4.1 工况 1 ................................................ 41
§4.2 工况 2 ................................................ 42
§4.3 工况 3 ................................................ 44
§4.3.1 温度场分析 ..................................... 44
§4.3.2 结构强度分析 ................................... 44
§4.4 工况 4 ................................................ 45
§4.4.1 温度场分析 ..................................... 45
§4.4.2 结构强度分析 ................................... 46
§4.5 应力分类及评定 ....................................... 47
§4.5.1 管接头拉脱力及管子稳定性的校核 ................. 47
§4.5.2 应力强度评定 ................................... 49
§4.5.3 疲劳评定 ........................................ 50
第五章 下管箱有限元分析 ....................................... 51
§5.1 工况 1 ................................................ 52
§5.2 工况 2 ................................................ 53
§5.3 工况 3 ................................................ 54
§5.4 工况 4 ................................................ 55
第六章 风载、地震载荷作用下整体结构受力分析 ................... 58
第七章 关键部件的制造与总装 ................................... 61
§7.1 制造检验工艺方案及其质量控制 ......................... 61
§7.1.1 制造难点 ....................................... 61
§7.1.2 管箱的组装加工 ................................. 61
§7.1.3 管束的组装加工 ................................. 62
§7.1.4 总装制作流程 ................................... 62
§7.2 小结 .................................................. 63
第八章 总结与展望 ............................................. 64
摘要：

 摘要管壳式换热器在生产技术领域中的应用十分广泛。其关键部件的结构、材料、性能等对换热器的整体质量及安全运行都有着十分重要的意义。实际工程中，对于带夹套容器接管与夹套处的连接形式一般有三种，即直接连接、采用套管连接、采用翻边形式连接，然而对这三种连接结构只有定性认识，并没有做定量分析。本论文对某带夹套冷却器在复杂载荷作用下的关键技术进行有限元分析与研究，主要的工作和结论如下：（1）根据冷却器实际结构，合理简化，建立有限元模型，包括上下管箱和壳程。（2）借助有限元分析软件ANSYS，对排气冷却器上管箱的三种不同结构分别进行计算，分析了其在设计工况下的应力强度、操作工况下的温度场、热应力及组合应力...

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