某换热器管板的有限元分析设计_季维英
中间加热器管板有限元数值计算分析设计
中间加热器管板有限元数值计算分析设计李洁;傅建楠;柴飞;高建文;宋晞明【摘要】针对GB 151-1999《管壳式换热器》没有相关计算方法的中间加热器管板特殊结构,探讨了使用基于有限元数值计算的分析设计方法对管板进行结构强度计算的思路、基本步骤及应力强度评定方法.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2014(034)006【总页数】6页(P37-42)【关键词】加热器;管板;有限元;分析设计;数值计算【作者】李洁;傅建楠;柴飞;高建文;宋晞明【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院,天津300074;中国市政工程华北设计研究总院第四设计研究院,天津300074【正文语种】中文【中图分类】TK1721 问题描述中间加热器是天然气液化前净化阶段中的一个重要设备，为脱水、脱碳吸附塔提供热源，使吸附饱和的填料再生。
脱碳和脱水工艺操作过程为:加热、吹冷、吸附和切换四个步骤。
加热热源来自中间加热器(以下简称加热器)中U形换热管内的电加热芯，电加热芯是由防爆加热电阻丝和绝缘导热填充物组成。
加热器与脱碳吸附塔、脱水吸附塔串联布置。
加热过程:常压(0～0.005 MPa)、5℃的干燥纯氮气送入加热器壳体内，经过电加热芯加热到300℃，加热后的氮气送到脱碳吸附塔和脱水吸附塔中，将塔内饱和的填料再生，带走填料吸附的物质。
吹冷过程:此时电加热芯停止加热，继续输入氮气，加热器、脱碳吸附塔和脱水吸附塔内温度由300℃下降至20℃。
吸附过程:停止氮气输入，经过加热器(此过程中电加热芯处于停止加热状态)输入5.5 MPa、5℃的天然气，进入脱碳吸附塔和脱水吸附塔中，填料发挥吸附作用，天然气得到净化。
切换过程:停止天然气输入，加热器内余留天然气经由管道减压排出，加热器中天然气压力由5.5 MPa降至常压，此时加热器中工作温度为5℃。
基于ANSYS的管板有限元分析及其优化设计
基于ANSYS的管板有限元分析及其优化设计作者：王战辉马向荣范晓勇来源：《当代化工》2019年第03期摘 ;;;;;要：换热器中的管板除了承受管程压力和壳程压力之外，还要承受热流体和冷流体由于温度梯度所带来的温差应力，管板的受力情况复杂多变，严重影响换热设备的经济性和安全性。
利用ANSYS有限元分析软件对管板进行了应力和热-应力耦合分析，比较了其应力云图的分布特点，再对7种工况下的应力进行评定，最后以管板质量为目标函数，以管板厚度为设计变量，以管板最大应力为状态变量，对管板进行结构的优化分析，所得结论对于换热器中管板的优化具有一定的指导意义。
关 ;键 ;词：管板;ANSYS;应力;优化中图分类号：TQ 657.5 ;;;;;文献标识码： A ;;;;;;文章编号： 1671-0460（2018）03-0602-04Abstract： In addition to tube pressure and shell pressure， tube plate in the heat exchanger also bears temperature difference stress caused by thermal fluid and cold fluid due to temperature gradient. The force of tube plate is complex and changeable， which seriously affects economy and safety of heat exchanger. Therefore， ANSYS finite element analysis software was used to analyze the stress and thermal stress coupling of tube plate， distribution characteristics of stress cloud map were compared， and then the stresses in seven working conditions were evaluated. Finally， tube plate mass was used as objective function， tube plate thickness was used as the design variable and tube plate maximum stress was used as the state variable， optimization analysis of tube plate structure was carried out.Key words： Tube plate ; ANSYS; Stress; Optimization换热器也称换交热器，是一种能在热流体和冷流体之间交换热量的装置。
双管程换热器管板的有限元分析计算
双管程换热器管板的有限元分析计算
门伟
【期刊名称】《科技与企业》
【年(卷),期】2016(000)001
【摘要】本文采用了建出与管板接触的管箱法兰,在管箱法兰端部施加固定约束,并在管箱法兰与管板法兰接触的密封面处设置接触的方法进行管板有限元分析.这样所得结果与实际贴近,不会因约束管板局部位置而造成不合实际的应力集中现象,且克服了传统管板计算理论的局限性.计算完成后发现温度产生的应力很大,于是对管板结构进行了改进优化,优化后的管板应力降低,各路径的应力均满足JB4732-95的规定.
【总页数】3页(P223-225)
【作者】门伟
【作者单位】山东豪迈机械制造有限公司潍坊 266045
【正文语种】中文
【相关文献】
1.换热器管板布管程序的开发与应用 [J], 黄之军;王静;刘鸿彦
2.多管程管壳式换热器管板隔板槽面积计算 [J], 范勇波
3.单管程浮头换热器浮动端的法兰和环形板的合理计算方法 [J], 李英;杨良瑾
4.单管程浮头换热器中夹持环形板的校核计算 [J], 李英
5.单管程浮头换热器的管板强度计算 [J], 王伟
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内压简体周向开设矩形排孔的三维有限元分析
3-D FEM Analysis for Circumferential Rectangular Ligaments on Cylindrical Shell of an Internal
Pressure Vessel
作者： 季维英[1] 杨小军[2]
作者机构： [1]南通职业大学机械工程学院,江苏南通226007 [2]南通精华制药股份有限公司,江苏南通226001
出版物刊名： 南通职业大学学报
页码： 81-83页
年卷期： 2011年 第4期
主题词： 内压筒体 矩形排孔 周向分布 强度评定 有限元分析
摘要：利用有限元分析软件ANSYS Workbench对某内压筒体沿周向开设矩形排孔的结构进行有限元分析，得到该结构的应力分布状况和最高应力水平，并据标准对此结构进行了强度评定。
分析结果表明，沿筒体轴向因开孔致应力集中的影响范围较小，而周向各接管开孔应力集中的影响互相叠加，其范围遍布筒体的整个周向，最大应力分布在各接管拐角和各接管与筒体的角焊缝处，故矩形接管的焊缝应全焊透且需进行表面渗透检测，以满足JB4730I级合格标准，并避免安排在拐角处。
U型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析
U型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析摘要此次设计的内容是基于U型管式换热器设计的Visual Basic程序软件开发及关键部件有限元分析。
本次设计的主要内容包括U型管式换热器设计前提和设计方案的确定、对工艺结构的尺寸的计算和选择、核算热流量和壁温、计算换热器内流体的压降，再对计算结果进行校核。
工艺结构计算主要有对换热管束的型号选择和设计选择确认换热管的排列布置形式；对封头、管板、管箱、壳体内径、拉杆和折流板的计算及法兰和支座选取和其它附件的计算选取等。
然后再以此工艺结构计算的设计为基础，利用Visual Basic结构清晰明白的结构化程序设计理念，从而设计出一种改变初始条件即可以一键列出所需U型管式换热器的设计计算结果的软件。
再利用ANSYS10.0软件对本次设计的管式换热器中的关键部件的受力范围分析和校核，使得设计更加的准确和合理。
总之，该软件利用了VB可以创建多个窗口，每个窗口利用各自所编写的代码既保证自身的独立性但又可以相互联系的特点，让数据能够自行输入，并在软件中添加了相关的信息提示，从而使本次设计更加准确。
关键词：换热器，U型管，工艺计算，Visual Basic，ANSYS10.0U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN SOFTWARE DEVELOPMENT AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OFKEY COMPONENTSABSTRACTThe content of this design is based on the Visual type tube heat exchanger design Basic U program software development and key components of the finite element analysis.In short, the software is using VB can create multiple windows, and each window has its own design part of the calculation, the written code to make each form between independent and there is a link, let the data to their own input, and in software add relevant information tips, so as to make the design more accurThe main content of this design includes U type tube heat exchanger; the size of the initial conditions, process of determining structure calculation, heat flows from the accounting and wall temperature calculation, calculation for heat exchanger fluid pressure drop, parts of the selection and calculation of check. The calculation process is mainly including the calculation results of heat exchanger selection, calculate and determine the design of the heat exchanger heat area; structure calculation process are selection of heat transfer tube type and heat transfer tube arrangement, the shell diameter calculation and selection, calculation of the calculations of flow plate selection, takeover and other accessories selection. Then to calculate the structure for this process as a basis for the design, the use of visual basic structure is clear and clear structured program design concept, to design a kind of changing the initial conditions that can be a key list of U type tube for heat exchanger design and calculation results of software. Using ANSYS10.0 software to analyze and check the force range of the key components of the design of the tube type heat exchange.KEY WORDS: heat exchanger，U-tube，Process calculation，Visual Basic，ANSYS10.0目录前言 (1)第1章U型管式换热器的工艺计算 (2)1.1 换热器设计任务和设计前提 (2)1.1.1 设计任务 (2)1.1.2 设计前提 (2)1.2 设计步骤 (2)1.2.1 设计方案的确定 (2)1.2.2 流体基本参数的确定 (3)1.3 U型管式换热器的设计计算过程 (3)1.3.1 热流量的计算 (3)1.3.2 平均温度差的计算 (4)1.3.3 根据热流量估算换热面积 (4)1.3.4 工艺结构尺寸的确定 (4)1.3.5 换热器的校核 (6)1.3.6 壁温核算 (8)1.3.7 各部分流体阻力的计算 (8)第2章结构设计与选取 (10)2.1 换热管束 (10)2.2 封头的计算 (11)2.3 管板的计算 (11)2.4 管箱的计算 (14)2.5 壳体的计算 (15)2.6 拉杆的计算 (15)2.6.1 拉杆结构形式 (15)2.6.2 拉杆的直径和数量 (15)2.7 折流板的计算 (17)2.8 法兰的选择 (17)2.9 支座的选择 (18)第3章Visual Basic软件编程 (19)3.1 主要设计模块及流程 (19)3.1.1 流程图 (19)3.2编辑程序 (19)3.2.1 进入VB的基本界面 (19)3.2.2 初始参数窗体的编辑 (20)3.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体 (21)3.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体 (23)3.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体 (25)3.3 换热器基本结构的软件设计 (26)3.4 换热器的汇总窗体设计 (30)第4章关键部件的有限元分析 (33)4.1 U型换热管的有限元分析 (33)4.1.1 单元类型和材料属性的建立 (33)4.1.2 换热管模型的建立 (33)4.1.3 网格划分 (34)4.1.4 载荷的施加 (35)4.1.5 查看结果 (35)4.2 管板的有限元分析 (37)4.2.1 设定单元类型和材料属性 (38)4.2.2 创建管板模型 (38)4.2.3 网格的划分 (39)4.2.4 载荷的施加 (39)4.2.5 查看结果 (40)结论 (42)谢辞 (43)参考文献 (44)外文资料翻译 (46)前言换热器是将不同温度流体进行热量的交换，从而可以使某些流体升温或者降温，来达到设计所需要的工艺流程的温度的装置[1]。
加氢裂化装置新型换热器管板的有限元分析
和反应 流 出物／ 低分 油换 热器 ， 装置 的能耗 影 响 对
很 大 。传 统 的高压 加氢换 热 器一般 采 用螺纹 锁 紧
为 了控制 整 个 炼 油装 置 的能 耗 ， 油 加 工 的 炼 规模 呈 现上升 趋 势 。加 氢 裂化 是主 要 的原油 炼 制 环 换热 器 、 环 换 热 器 以 及 隔 膜 密 封 式 换 热 器 。 Ｑ 由于原 油 品种 的 复杂 性 ， 置 中 的腐 蚀 环境 经 常 装
ｈ ｓ ｂ ｅ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｈ ｓｐａ ｅ ．Ｆｉ ｉｅ Ｅｌ ｍｅ ｔ ａｙ ｉ ｎ ｔｅ ｓ ａ ｓ ｓ ｍｅ ｔｉ ａ ｏ ｓｌ ａ ｏ ｉ ａ ｅ ｎ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ｐ ｒ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ Ａｎ ｌ ｓｓａ ｄ ｓｒ ｓ ｓ ｅ ｓ ｎ ｎ ｖ ｒ ｕ ｏ ｄ ｃ ｎｄ— ｉ ｔｏ ｓ ｈ ｖ ｅ ｎ ｃ ｒｉ ｄ ｏ ｔｏ ｕ ｅ—ｓ ｅ ｔｏ ｈ ｓｎ ｗ ｙ ｅ ｔｅ ｃ ａ ｇ ｒ ａｅ ｙａ ｄ ｅ ｅ ｇ ｃ ｎ ｍｉａ ｉ ｎ ａ ｅ ｂ ｅ ａ ｒｅ ｕ ｎ ｔ ｂ ｈ ｅ ｆｔ ｉ ｅ ｔｐｅ ｈ ａ ｘ ｈ ｎ ｅ ．Ｓ ｆ ｔ ｎ ｎ ｒｙ ｅ ｏ ｏ ｚ — ｔｏ ｆｔ ｉ ｒ ｄ ｔｈ ｖ ｅ ｎ ｐ ｏ ｅ ｎ ｐ ａ ｔｃ ｌａ ｐ ｉ ａｉｎ． ｉ ｎ ｏ ｈｓ ｐ ｏ ｕｃ ａ ｅ ｂ ｅ ｒ ｖ ｄ ｉ ｒ ｃ ｉａ ｐ ｌｃ ｔｏ
Байду номын сангаас
（ ｅ ｉ ｅ ｅａ Ｍ ｃ ｉｅｙＲ ｓａｃ ｓｔｔ， ａｉ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ｇＲ ｓａ ｈＣ ｎｅ ａｅ ｆ ｒｓｕｅ Ｈ ｆ ｎ ｒｌ ａ ｈｎｒ ｅｅｒｈＩ ｔｕｅ Ｎ ｔ ｎ ｌ ｎ ｉ ｅｉ ｅｅｒ ｅ ｔ ｏ Ｓｆｔ ｏ ｅｓｒ ｅＧ ｎｉ ｏ ｈ ｎ ｃ ｒｎ ｙ Ｐ Ｖ ｓｅ ｎ ｉｅ ， ｆｉ ３ ０ ， ｈｎ ） ｅｓｌ ａｄＰｐ ｓＨｅ ０ ３ Ｃ ｉａ ｓ ｅ２ １
基于有限元方法对换热器设计方案的改进
基于有限元方法对换热器设计方案的改进
季维英;陈荣
【期刊名称】《化工装备技术》
【年(卷),期】2007(028)001
【摘要】采用三维有限元方法,对某固定管板式换热器在温度载荷作用下进行热应力分析.根据热应力分布特点,分析温度载荷对管板、壳体等产生的影响,提出设计方案的改进,并作同样的有限元分析.经比较发现,改进后热应力大大减小.
【总页数】4页(P50-53)
【作者】季维英;陈荣
【作者单位】南通职业大学,南通市,226007;南通迪爱生色料有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ0
【相关文献】
1.基于有限元方法的立式加工中心主轴箱结构分析与改进 [J], 潘石群;茅亮亮;陈攀
2.基于有限元方法的发动机悬置强度改进设计 [J], 姜莞;史文库;滕腾;王清国
3.基于有限元方法的翼开式厢体结构分析及改进 [J], 徐道雷;杜子学;张庆夫
4.基于有限元方法的轨道吊轨临时支护的改进 [J], 石修灯
5.基于H型翅片管的烟气余热换热器设计方案 [J], 李权
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换热器热应力耦合分析有限元分析
第一章 课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。
一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。
2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。
不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。
虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。
目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。
而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。
对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。
北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。
散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。
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力进行详细分析。 ３．１ 温度场分析
分析的重点在于换热器稳定工况下的温度分 布情况， 因此， 可仅进行稳态热传导分析。通过求 解得到模型温度场分布云图如图 ４。该结果直观 地验证了管板温度分布的“表皮效应”［ ３ ］。
ＮＯＤＡＬ ＳＯＬＵＴＴＯＮ ＳＵＢ＝１ ＴＩＭＥ＝１ ＴＥＭＰ （ ＡＶＧ） ＲＳＹＳ＝０ ＳＭＩＶ＝１５０ ＳＭＸ＝２２０
ＮＯＤＡＬ ＳＯＬＵＴＴＯＮ ＳＴＥＰ＝１ ＳＵＢ＝１ ＴＩＭＥ＝１ ＳＩＮＴ （ ＡＶＧ） ＤＭＸ＝１．２２９ ＳＭＩＶ＝２３６００８ ＳＭＸ＝．４０７Ｅ４＋０９
ＭＡＲ ２２ ２００６ ２１∶２１∶０１
２３６００８ ．４５５Ｅ＋０８ ．９０７Ｅ＋０８．１３６Ｅ＋０９ ．１８１Ｅ＋０９ ．２２６Ｅ＋０９ ．２７２Ｅ＋０９ ．３１７Ｅ＋０９．３６２Ｅ＋０９．４０７Ｅ＋０９
Ｐａｔｈ２ 为 穿 过 与 换 热 管 相 连 处 管 板 厚 度 的 路 径 ， 而 Ｐａｔｈ３ 为穿过布管区管板厚度的路径。管板路 径均为从壳程到管程方向， 壳体路径为内侧到外 侧方向［ ５ ］。
通过分析发现， 所有工况下路径 ２ 及路径 ３ 上的应力强度值均合格， 而在工况 ５、工况 ６ 及工 况 ７ 下， 路径 １ 上最大应力强度值均超出许可值， 评定不合格。因此， 这三种工况为危险工况， 且工 况 ５ 为管程压力与温度载荷同时作用， 是最危险 工况。图 ７ 所示为工况 ５ 路径 １ 上应力强度分布 曲线。
收稿日期： ２００７－ ０７－ １５ 作者简介： 季维英（ １９６６－ ） ， 女， 江苏南通人， 副教授， 硕士， 主要研究方向为化工设备强度与应力分析。
６９
南通职业大学学报
２００７ 年
１ ＥＬＥＭＥＮＴＳ
ＭＡＲ ８ ２００６ １１∶２７∶４２
图 ２ 有限元计算模型图
２．２ 载荷及边界条件
分析中， 根据设备实际操作时的情况， 考虑了
表 １ ７ 种操作工况
操作工况描述
载荷工 操作工 况组合 况编号
稳态工况 启动 瞬间
正常操作 管程先开 壳程先开 管 程 、壳 程 同 开
Ｐｔ＋Ｐｓ＋Ｔ ７
Ｐｔ
１
Ｐｓ
２
Ｐｔ＋Ｐｓ
４
停止 瞬间
壳程先停 管程先停 管 程 、壳 程 同 停
Ｐｔ＋Ｔ
５
Ｐｓ＋Ｔ
６
Ｔ
３
４．２ 有限元结构分析结果 为在后处理中可按 ＪＢ４７３２ 应力 分析标准进
Ｑ２３５－ Ａ ０Ｃｒ１８Ｎｉ１０Ｔｉ
０Ｃｒ１８Ｎｉ１０Ｔｉ
图 ８ 改进后的换热器结构
ＮＯＤＡＬ ＳＯＬＵＴＴＯＮ ＳＴＥＰ＝１ ＳＵＢ＝１ ＴＩＭＥ＝１ ＳＩＮＴ （ ＡＶＧ） ＤＭＸ＝１．２２５ ＳＭＮ＝１０９５７０ ＳＭＸ＝．２６２Ｅ＋０９
ＭＡＲ １１ ２００６ １０∶０２∶４４
１０９５７０ ．２９２Ｅ＋０８ ．５８３Ｅ＋０８ ．８７４Ｅ＋０８ ．１１７Ｅ＋０９ ．１４６Ｅ＋０９ ．１７５Ｅ＋０９ ．２０４Ｅ＋０９ ．２３３Ｅ＋０９ ．２６２Ｅ＋０９
１ 换热器的载荷工况及初始设计结果
换热器载荷工况具体数据为： 壳程工作压力 ０．８ ＭＰａ， 壳 程 进／出 口 侧 温 度 ２０ ℃／１５０ ℃， 壳 程 材料为 Ｑ２３５－ Ａ； 管程工 作压力 ４．５ ＭＰａ， 管程 进／ 出口侧温度 ２２０ ℃／１００ ℃， 管程材料为不锈钢。先 对图 １ 所示的换热器结构， 参照 ＧＢ１５１ 常规设计 方法［ １ ］， 给出初始设计方案： 管板上共有 １１７ 根换 热管， 管板左右、上下对称； 壳体公称直径 ５００ ｍｍ， 壳体壁厚 ８ ｍｍ；管 板 厚 度 ７４ ｍｍ； 管 板 外 径 同 设 备法兰外径 ６９５ ｍｍ； 换热管规格 Φ３２×３．５。
图 ９ 改进后的热应力分布云图
由图 ９ 可知， 最高热应力强度值由原来的 ４０７ Ｍｐａ 下降到了 ２６２ ＭＰａ， 并且最大应力强度 值发生在管板与换热管的连接处， 其次是管板与 壳体的连接处。管板与壳体连接处沿壳体厚度、 管板与换热管连接处沿管板厚度方向分别作应力 校核线， 路径如图 ６。对应力强度进行线性化处 理， 结果如图 １０、图 １１。
文献标识码： Ａ
文 章 编 号 ： １００８－ ５３２７（２００７）０３－ ００６９－ ０５
０引 言
导热油出口
随着工业的迅速发展， 过程设备越来越向大 型化、复杂化和高参数方向发展， 其结构和形状也 越来越复杂， 使得对零部件的常规设计方法受到 冲击。基于此， 一种以弹性应力分析和塑性失效、 弹塑性失效准则为基础的新设计方法— ——分析设 计法应运而生。应力分析设计属于校核式设计， 如 对换热器管板而言， 先确定设计方案， 假设一个管 板厚度， 然后采用应力分析校核该厚度是否合适， 若厚度选择不合适， 用户则要通过反复选取并运 算才能得到一个既经济又安全的设计结果。本文 以某高效换热器为例， 阐述了换热器分析设计的 过程。
（ ３） 力边界条件。载荷工况的约束是： 在管 壳式换热器的对称面上施加对称位移约束， 换热 管一端约束， 另一端连接在管板上， 即约束换热 管一端的轴向位移， 在预紧面上加螺栓预紧力 ８３．５７ Ｍｐａ， 密封面上加法兰垫片比压力 １５ Ｍｐａ。
３ 换热器管板热应力分析
由于该换热器管程和壳程的温度相差较大， 温差应力的影响不容忽视。为此， 有必要对其温 度场及机械载荷和热载荷共同作用下产生的应
行各处的强度校核， 根据分析得到的应力强度 （ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ） 分布状况， 在 模型上选取 ３ 条 路 径， 如图 ６ 所示。Ｐａｔｈ１ 为穿过壳体厚度的路径，
１ ＥＬＥＭＥＮＴＳ
ＭＡＲ ２５ ２００６ ２１∶３７∶４２
Ｐａｔｈ２
Ｐａｔｈ３
Ｐａｔｈ１
ｔｕｂｅｓｈｅｅｔ＿ｍｅｓｈ
图 ６ 路径分布示意图
了管板在开工、正常操作和停工过程中可能出现的 ７ 种瞬态和稳态操作工况的应力强度， 并进行应
力评定， 找出危险工况和该管板强度的控制因素； 据此， 提出了对设计方案的改进， 结果表明， 改进后
热应力将大大减小。
关键词： 管板； 有限元； 温度场分析； 应力分析； 分析设计
Байду номын сангаас
中 图 分 类 号 ： ＴＫ２２３．５
５ 设计方案的改进
为有效降低管板与壳体连接处的热应力， 首 先， 应严格按 ＧＢ１５１ 选取管板与壳体连接的焊接 节点， 而边缘区的圆弧过渡连接和圆角半径的适
７１
南通职业大学学报
２００７ 年
当增大， 可有效降低过渡区的应力水平。 对于本例中的换热器， 壳体的两端分别用
２００ ｍｍ 长的短节， 短节材料与管板材料相同， 具 体结构如图 ８ 所示。改进后重复以上步骤进行有 限元分析， 得到热应力分布云图， 如图 ９。
力 、壳 程 压 力 和 温 度 载 荷 三 种 载 荷 工 况 以 不 同 方 式组合的作用。因此， 对管板进行强度分析时如 果只分析载荷同时作用的正常操作工况是不充 分的， 因为不能保证这种工况一定是危险工况。 上述三种载荷可以组成 ７ 种不同的瞬态或稳态 操作工况［ ３ ］， 如表 １ 所示。
１
ＰＯＳＴ１
ＳＴＥＰ＝１
ＳＵＢ＝１ ＴＩＭＥ＝１
（ ｘ１０＊＊５）
ＳＥＣＴＩＯＮ ＰＬＯＴ
４０９９．２１０
ＳＥＣＴＩＯＮ ＣＯＯＲＤ
３８７６．２７５
ＮＯＤ１＝１６３３７
３６５３．３３５
ＮＯＤ２＝１３４３０
３４３０．３９５
ＳＩＮＴ
３２０７．４５５
ＭＥＭＢＲＡＮＥ
２９８４．５１５
ＭＥＭ＋ＢＥＮＤ ＳＩＮＴ ２７６１．５７５
为 "Ｌ≥２．５"Ｒｔ 。 为更真实地模拟管板的应力状态， 壳体、管
板、管束全部采用实体单元。结构分析采用 ８ 节 点六面体单元 Ｓｏｌｉｄ ４５； 传热分析采用的单元是 与 Ｓｏｌｉｄ ４５ 对应的热分析单元 Ｓｏｌｉｄ ７０， 管板网格 划分采用扫描剖分， 扫描剖分后的单元具有规则 形状， 是明显成排的单元， 这对载荷的施加和收敛 控制是有利的［ ４ ］。有限元模型如图 ２ 所示。
以下几种不同的载荷， 分别是：
（ １） 温度载荷。本例中， 忽略介质的对流换
热， 只考虑热传导。模型温度载荷的施加形式如
图 ３ 所示。
导热油出口
进料口
Ｔ＝２２０ ℃
Ｔ＝１５０ ℃
图 ３ 温度载荷及边界条件
（ ２） 内压载荷。管程设计压力 ５．０ Ｍｐａ， 壳程 设计压力 ０．８ Ｍｐａ。在分析中， 每种载荷均作为一 个独立的载荷工况来施加， 实际换热器工作过程 中， 将受到多种载荷工况， 根据具体受到的工况建 立相应的模型。
图 ５ 热应力分布云图
７０
第３期
季维英， 等： 某换热器管板的有限元分析设计
续， 尤其管板厚度大， 形成了局部的应力集中； 再 者， 管板与壳体材料的差异， 导致两者膨胀及收 缩的不协调， 这也是导致热应力高的不可忽视的 因素。
４ 不同操作工况下管板的应力分析和强度 校核
４．１ 结构分析的 ７ 种操作工况 一般说来， 换热器在工作时要受到管程压
某换热器管板的有限元分析设计
季维英， 陆荣钧
（ 南通职业大学 机械工程系， 江苏 南通 ２２６００７）
摘 要： 应用 ＡＮＳＹＳ 通用有限元分析软件， 对某换热器管板建立了三维实体模型， 并进行温度场分
析， 得出管板上温度场的分布规律； 同时， 按照 ＪＢ４７３２－ １９９５《钢制压力容器— ——分析设计标准》分析
ＴＯＴＡＬ
２５３８．６３５
２３１５．６９５
２０９２．７５５
１８６９．８１５ ０
Ｐｔ＋Ｔ， ｐａｔｈ１
ＡＰＲ ４ ２００６ ２１∶４６∶３０
１．６ ３．２ ４．８ ６．４ ８ ＤＩＳＴ