（轮机工程专业论文）基于ansys二次开发在换热器法兰上的研究与优化.pdf

武汉理工人学硕+ 学位论文 摘要 随着人类文明的不断发展，现代社会对能源的需求越来越大。对于我国来 说，尽管幅员辽阔，但是自然资源所能提供的有效能源却相对短缺。更为突出 的问题是：与发达国家相比，我国的能源有效利用率非常低。因此，迫切需要 研制新型节能设备，而研制节能型换热设备就显得非常有意义。根据湖北登峰 换热器公司的课题要求，本文主要从以下几个方面对k l q 型换热器法兰设计进 行了探讨： 首先，从换热器基本理论出发，对k l q 型换热器法兰建立了数学模型，通 过经典圆平板理论和换热器法兰设计中较为常用的w a t e r s 法，得出了法兰应力 的计算公式；与此同时，根据厂方提供的图纸，运用有限元软件a n s y s 建立了 换热器法兰的等效分析模型。 其次，根据a n s y s 二次丌发的思路，对所建立的k l q 型换热器法兰模型 进行参数化处理，以满足二次开发的要求，根据二次开发的不同思路提出了两 套不同的二次开发方案，给出了具体的调用方法；同时，对两套方案分别进行 了探讨，指出了各自的优点和不足，并根据本课题的要求，选取了合适的方案 进行分析计算。 然后，考虑了换热器在不同工况下对法兰产生的影响，根据工况的不同， 采用了不同的边界条件，施加了不同载荷，根据热分析的基本原理，得出了稳 态温度场的分析结果。根据a n s y s 热一结构耦合的分析要求，在各操作工况下 选取了有代表性的路径进行了具体的应力分析和线性化处理，并根据国家标准， 对路径上的线性化结果进行了安全评定，判断其是否安全，并在此基础上找出 了影响法兰性能的主要因素。 最后，根据上述计算得出了危险工况的分析结果，对最危险工况时的结构 进行优化设计，通过多次迭代得出较经济的设计方案，并对其进行了安全评定。 结果证明，该方案符合使用要求，为换热器的进一步设计指明了方向。 本文主要运用有限元软件a n s y s 对换热器法兰在不同边界条件和材料参 数的情况下进行仿真计算，其分析结果对设备的设计制造具有一定的指导意义。 关键词：换热器；二次丌发；工况分析；安全评定；优化设计 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n t d e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r i c i t yp o w e ra leb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y h u m a nc i v i l i z a t i o n ，t h ed e m a n d sf o r l a r g e ri nm o d e ms o c i e t y t h em o r e p r o m i n e n tp r o b l e mi sc h i n a se n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yi sm u c hl o w e rt h a nt h e d e v d o p e dc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，w eu r g e n t l yn e e dt o d e v e l o pn e wt y p e so f e i l e 唱y s a v l n ge q m p m e n t s o ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt od e v e l o pt h ee n e r g y - e f f i c i e n t h e a tt r a n s f e re q u i p m e n t c o m m i s s i o n e di na c c o r d a n c ew i t hh u b e i d e n g f e n gh e a t e x c h a n g e rc o m p a n y , t h i sp a p e ra n a l y s i st h ed e s i g no fk l q t y p eh e a te x c h a n g e r f l a n g ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to f a l l ，f r o mt h eb a s i ct h e o r yo f h e m e x c h a n g e r s ，ie s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a l m o d e lo fk l q _ t y p eh e a te x c h a n g e rf l a n g ew i t ht h ec l a s s i c a l p l a t et h e o r va n dt h e w a t e rm e t h o d sw h i c hi s c o m m o n l yu s e di nt h ed e s i g no ff l a n g e io b t a i n e dt h e f o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ef l a n g es t r e s s ，a tt h es a m e t i m e ，ie s t a b l i s h e dt h ee q u i v a l e n t f l a n g em o d e lb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y st h r o u g ht h e d r a w i n g p r o v i d e db yf a c t o r y s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fa n s y s r e d e v e l o pt e c h n 0 1 0 9 y , i p a r a m e t r ict h ek l q - t y p ef l a n g em o d e lt om e e tt h eu s e r e q u i r e m e n t so ft h er e d e v e l o p t e c h n o l o g y a f t e rc a r e f u lc o n s i d e r a t i o n ，ip r o p o s e dt w od i f f e r e n tr e - d e v e l o pp r o 缪锄s a n dt h e s p e c i f i cu s eb a s e do nd i f f e r e n tr e d e v e l o pi d e a s a tt h es a m et i m e t w o o p t i o n sw e r ee x p l o r e d ；p o i n t i n go u tt h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so fe a c h a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h e r e q u i r e m e n t so ft h et o p i c ，s e l e c tt h e a p p r o p r i a t ea n a l y s i s p r o g r a m t h e n ，ic o n s i d e r e dt h ei m p a c to nt h ef l a n g ei nd i f f e r e n t w o r k j n gc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt od i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，iu s ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n d i m p o s e dl o a d s ig e tt h ea n a l y s i sr e s u l t so ft h es t e a d y s t a t et e m p e r a t u r ef i e l db a s e do n t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e r m a la n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ec o u p l i n gf e a t u r eo f a n s y s t h e r m a l s t r u c t u r e ，is e l e c t e dt h er e p r e s e n t a t i v ep a t h st o a n a l y s i st h es t r e s sa n d l i n e a r i z a t i o ni nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dg i v et h es a l t ya s s e s s m e n t o fl i n e a r l i 武汉理1 ：人学硕十学位论文 r e s u l t so nt h ep a t h st od e t e r m i n et h e i rs a f e t ya n do nt h i sb a s i sf i n dt h em a j o rf a c t o r w h i c hi si m p a c t e dt h ef l a n g ep e r f o r m a n c e f i n a l l y , i na c c o r d a n c ew i t ht h ea b o v ea n a l y s i so ft h em o s td a n g e r o u sw o r k i n g c o n d i t i o n s ，ig a v et h eo p t i m i z e dd e s i g nw h i c hi sm o r ee c o n o m i c a lb ym a n yt i m e s i t e r a t i v ea n dg a v et h es a f e t ya s s e s s m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e s i g nc o m p l y w i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o g r a m i tp r o v i d e daf u r t h e rh e a te x c h a n g e rd e s i g n i d e a s i nt h i s p a p e r , ic a l c u l a t e dt h e h e a te x c h a n g e rf l a n g ea td i f f e r e n tb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a lp a r a m e t e r s t h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so ft h ed e s i g n h a v ec e r t a i ns i g n i f i c a n c et ot h em a n u f a c t u r eo fe q u i p m e n t k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；r e d e v e l o p ；w o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i s ； s a f e t ya s s e s s m e n t ；o p t i m a ld e s i g n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了感谢。 签名： 给纫 日期：2 竺起丑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留交向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一c ：鳓新( 蚴：摊嗍 棚ji 。钆 i 武汉理下大学硕十学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 受湖北登峰换热器公司委托，对该厂为用户设计制造的一台高效换热器进 行验证性有限元分析，并在保证安全可靠的前提下，提出设计的优化与改进， 使其达到最佳经济效益。主要参照标准有j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器一分析设 计标准【1 1 、g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器 2 1 及g b l 5 1 1 9 9 9 钢制管壳式换热 器设计规定1 3 】。 1 1 2 换热器研究领域的历史、现状和发展情况 尽管我因幅员辽阔，但是自然资源所能提供的有效能源却相对短缺。更为 突出的问题是与发达国家相比，我国的能源有效利用率非常低。如此不仅加大 了对环境的污染，又增加了经济发展的成本。因此，为了提高我国的能源利用 率，迫切需要研制新型节能设备。换热设备是化工、石油、动力、核电等行业 中非常重要的热量交换设备，在化工工业中，换热设备的投资约占总投资的1 0 一2 0 ；在炼油厂中，换热设备约占总投资的3 5 - - 4 0 。因此，高效换热设备 的研制一直受到各个国家的重视。 近年来，国内许多单位在相关领域进行了大量研究工作。尤其是对传热、 流体阻力及强化传热机理等方面进行了重点研究。换热器是能量交换的关键设 备，它的传热效率高低直接关系着能耗的大小。管壳式换热器是应用最为广泛 的一种换热器，对其管程和壳程两部分的传热和机械强度性能研究至关重要。 其强度安全性能好坏不仅关系到整个设备的安全，而且还影响到厂区工作人员 的安全。然而由于管壳式换热器本身结构的复杂性，同时又处于高温、高压和 内部含有腐蚀介质的环境中，使得其工作应力既和温度相关，又和机械载荷有 关，所以其大小、分布的确定异常复杂和困刖4 1 。 换热器是化工、炼油等工业中广泛应用的典型工艺设备，用来实现热量的 传递，使热量由高温流体传给低温流体。在可拆卸式管壳式换热器中，法兰是 武汉理，丁大学硕士学何论文 连接壳体，并承受压力和热膨胀及来自此部件载荷的主要部件，是管壳式换热 器不可缺少的重要元件5 】【6 】【7 1 。正确分析法兰受力状态，合理确定法兰厚度，对 保证换热器安全运行、节约材料及降低成本等起着非常重要的作用。 1 2 国内外换热器研究现状及发展动态 1 2 1 国内外主要规范 在炼油、化工等工业中大量使用管壳式换热器，目前，控制和确保管壳式 换热器设计、制造质量是以标准规范为依据进行的。管壳式换热器的标准规范 是在管壳式换热器技术的发展和对过去管壳式换热器设计、制造、安装、使用 方面经验的总结的基础上编制的。世界各国先后颁布了自己的标准，主要有： 美国的t e m a 、a s m e 标准、英国b s 标准、法国c o d a p 标准、德国a d 标准、 同本j i s b 8 2 4 3 标准和前苏联p t m 标准。我国也颁布了自己的标准即国家标准 g b l 5 1 8 9 钢制管壳式换热器。j 下由于管壳式换热器结构复杂，特别是连接着 管壳式换热器的壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀以及来自以上三元件 载荷的重要元件一管板和法兰，受力情况复杂，结构种类繁多，强度影响因素 多，同时各国规范在推导规范计算方法时，采用的依据和考虑的因素也有一定 的差异，因此应用不同国家的规范，所得到的管壳式换热器设计结果有些差异， 而且规范不能覆盖实际生产中碰到的管壳式换热器的所有结构型式。 颁布压力容器标准规范的各国机构主要有【8 】：美国列管式换热器制造商协会 ( t e m a ) 。t e m a 成立于1 9 3 4 年，其常设机构为贸易协会管理公司( t r a d e a s s o c i a t i o nm a n a g r m e n t ，r n c ) ，成员仅限美国的制造厂家。其中技术 委员会负责制订t e m a 管壳式换热器标准，由每个成员公司派代表组成。t e m a 的宗旨是：促进列管式换热器工业的进步和发展，其职能包括研究、规划、开 发工程项目和丌拓产品市场等。另外美国机械工程师协会( a s m e ) 有一个“传热设 备小组”，也专门从事a s m e 规范中换热设备方面的工作。美国石油学会( a p i ) 炼制部的换热设备常设分会和美国化学工程师学会( a i c h e ) 的设备试验方法 委员会也制订有关换热设备检查、原因分析和试验方法等的一些标准。英国标 准学会( b s l ) ，由其下属的压力容器标准委员会负责制订英国的有关换热器标准。 法陶机械工业技术中一i 二, ( c e t i m ) 联合国家压力容器协会( s n c t ) 和s p e i c h i m 集 2 武汉理工大学硕士学位论文 团，共同制订其换热器标准。德国压力容器工作委员会( a d ) ，日本工业标准委 员会( j i s c ) ，前苏联部长会议国家标准委员会，分别负责制订各自国家的有关换 热器标准。我国的标准由全国压力容器标准化技术委员会设计分委员会负责。 1 2 2 国外管壳式换热器标准的发展 管壳式换热器的基本设计方法于本世纪初开始出现，到了二十年代其制造 技术已有了较大的发展。由于管壳式换热器不仅是一种把热量从一种流体传递 到另一种流体的专用设备，同时也是一种压力容器，所以在本世纪初较长的时 问里，管壳式换热器各种部件的设计都是由压力容器标准，特别是a s m e 来提 供依据的。但是管壳式换热器的主要部件管板没有设计依据，当时缺乏管板设 计规定的a s m e 第八篇在3 0 年代给设计造成不便，因此，为了解决这一问题， 保证安全、统一公差、控制质量以及在竞争中有共同的约束，于1 9 4 1 年t e m a 标准首次颁布，从此开辟了以管板设计为标志的管壳式换热器标准完善和发展 的方向。 首版t e m a 标准仅限用于浮头式和u 形管式换热器，将管板视为均布载荷 作用下的圆形薄板，按弯曲变形时的最大应力为基础进行计算，含4 个参数， 是一种半经验方法。1 9 4 8 年g a r d n e r l 9 】首先建立了设计管板的基础，在浮动管板 换热器的设计时，考虑了换热管的支撑作用和管板孔的消弱效应。1 9 5 2 年 g a r d n e r 1 0 】将此方法应用于固定管板换热器的管板设计中。同期，m i l l e d 】也独 立地推荐了一种方法。两者形式上不同，实质上一样。但是，1 9 4 9 年t e m a 标 准第二版、1 9 5 2 年第三版和1 9 5 9 年第四版均未对第一版中换热器管板的设计计 算进行改动【l 引。 经过长时问的发展，a s m e 特别工作组于1 9 8 8 年颁布了t e m a 标准第七版。 该版在以前各版的基础上进行了彻底的修改，管板设计部分增加了不少新内容， 如：弯曲强度公式中增加了孑l 桥系数n ”；各种管板计算的速查图表；兼作法兰 的固定管板；管束两端不等厚度的固定管板等。目前，a s m e 特别工作组也在 继续推动管壳式换热器技术的发展和不断完善标准化工作，正在以s o l e r 和s i n g h 的工作为基础准备固定管板换热器的设计规定，草稿已经出台，但是还没有公 佰【13 1 。 由此可以看出，国外对管壳式换热器的标准化工作相当重视，并有专门的 组织进行丌发、研究工作，这为推动世界范围内的管壳式换热器技术不断发展， 3 武汉理下大学硕十学位论文 对制定和完善具有科学的、权威性的标准提供了可靠的保证。这也引起了我国 对管壳式换热器技术发展的重视。 1 2 3 国内管壳式换热器标准的发展 我国的管壳式换热器管板设计计算最早出现于t h z 5 9 标准中，根据文献 【1 4 介绍6 0 年代初我国某些设计院曾对管板计算方法进行过收集，机械部于 1 9 7 2 年颁布的部级标准j b l l 4 5 7 1 也包含有关管板设计计算的内容。1 9 7 3 年以后， 原一机、石油、化工三部成立了压力容器设计规定编制组，管板组由清华大学 工程力学系黄克智、薛明德，北京石油化工总厂设计院李世玉，石化部设计院 沈鹏飞和兰化公司设计院周兆沂组成。经过几年的试验研究，制定了一套换热 器管板强度计算方法，并在1 9 7 7 年3 月由原一机部、石化部审查批准编入“钢制 石油化工压力容器设计规定”，作为推荐使用的附录【1 5 j 。1 9 8 0 年5 月黄克智等在 第四届国际压力容器会议上介绍了他们的研究成果【】。此后，又经过几年的使 用实践及进一步试验研究，进行了局部的修订，于1 9 8 3 年4 月经机械、石油、 化工三部审查批准，编入“钢制石油化工压力容器设计规定”正文，从1 9 8 4 年4 月1 日起实施。参照t e m a 和r 本j i s b 8 2 4 9 标准，根据三部标准钢制石油化 工压力容器设计规定、j b l1 4 7 8 0 钢制列管式换热器技术条件和我国多年来 在管壳式换热器的设计、制造、安装、使用和维护等方面的经验，由兰州石油 机械研究所、中国环球化学工程公司、中国石化总公司洛阳化工工程公司等单 位负责编制的国家标准钢制管壳式换热器，1 9 8 6 年8 月在全国压力容器标准 化技术委员会第三次会议上审查通过，并于1 9 8 9 年颁布即g b l 5 1 8 9 。该标准同 时遵守g b l 5 0 8 9 钢制压力容器和劳动部颁布的压力容器安全监察规程 的有关规定。在g b l 5 1 的中，管壳式换热器管板设计计算仍于1 9 8 4 年的三部标 准钢制石油化工压力容器设计规定相同。 1 2 4 国内外压力容器法兰和垫片设计的发展现状 长期以来，法兰设计一般根据a s m e 锅炉和压力容器规范( b o i l e r p r e s s u r e v e s s e lc o d es e c v i i i d i v 1 ) 推荐的方法【1 7 18 1 。a s m e 基于比较简化的假设，核 算只是控制法兰应力水平，没有考虑螺栓法兰连接的紧密型要求，基于当时的 历史水平是可以理解的。目前的螺栓法兰连接设计计算主要有以下几种。 4 武汉理工大学硕士学位论文 最早的螺栓法兰连接计算方法是2 0 世纪3 0 年代，由芝加哥t a y l o r p f o r g e 公司提出的t a y l o r - - f o r g e ( a s m e ) 法，源自w a t e r s 等人1 9 3 7 年发表的研究结 果【侈】，该方法主要是为证实法兰接头是否满足“机械完整性”要求，即装配工况 下，要求垫片表面的压力必须大于a s m e 垫片参数值，操作工况下，垫片应力 必须高于操作内压力的另一垫片系数m 倍，其仅仅判断法兰中的弹性应力是否 超过材料的最大许可值。由于该方法依据弹性薄板和薄壳理论，使法兰具有较 高的刚性，一般情况下不会出现泄露的情况，这一特点也掩盖了法兰应有怎样 的密封功能这一问题。同时，由于t a y l o r - - f o r g e 法的垫片系数被定义为与垫片 结构有关的简单系数，与内压、温度等直接与泄露相关的参数没有联系，因此， 该挚片系数仅仅是形式上的虚拟系数，无法真实反映垫片性能【2 0 1 。 为了改进t a y l o 卜- f o r g e 法，9 0 年代初，a s m e 螺栓法兰连接委员会的特别 工作小组( s w g b f j ) 在大量实验之后，导出了螺栓法兰连接的现代设计方法 p v r c 法，该方法引入了一个新的参数：紧密性参数( t i g h t n e s sp a r a m e t e r ) 。该 设计以达到最低紧密性要求作为必要条件。该方法最大的变化在于对垫片的泄 露问题给出了新的阐述，采用了室温密封性试验程序( r o o mt e m p e r a t u r e t i g h t n e s st e x t ，r o t t ) ，以获得新的挚片系数并确定螺栓装配载荷。然而，在法兰 强度计算方面，虽然较t a y l o r - - f o r g e 法更全面地考虑了载荷条件，但仍未脱离 t a y l o r - - f o r g e 法的基本假定，没有考虑法兰接头的载荷和变形的关系，伸长和 法兰的转动，以及螺栓和法兰之间的不同热膨胀差等因素的影响，不可能得到 装配后的螺栓载荷、法兰和垫片应力的变化状况，取决垫片实际应力的泄漏率 也就不能确定。 之后，e n l 3 4 4 5p a n3 附录g ( 下称附录g ) 应运而生，其提供了原型法兰接 头的计算方法，计算考虑装配和操作两种状况，后者包括运行、开车、停车， 试验等工况。对每个工况考虑内外机械载倚和温度载荷作用，分别进行密封性 和机械完整性计算。显然，附录g 的计算方法相比a s m e 和p v r c ，在满足法 兰强度准则和密封准则两方面都作了更合理和全面的考虑。关于附录g ( 或 e n l 5 9 1 ) 的详细介绍，可参见文献【2 1 】。 压力容器的法兰规范设计方法自a s m e 在1 9 4 0 年创始以来，已经历半个多 世纪。经过理论界和工程界的潜心研究和持久实践，近年来已取得显著成效， 特别是美国的p v r c 研究成果和欧盟的e n l 3 4 4 5 标准具有明显的特色。但是， 这些新型的计算方案仍然存在不少问题，如p v r c 挚片参数的试验方法及其数 武汉理工大学硕十学位论文 据处理技巧【2 2 1 ，p v r c 垫片参数的转换【2 3 1 ，金属与金属接触的法兰设计方法f 2 4 1 ， 螺栓的相互干涉作用和装配控制方法【2 5 1 ，高温对法兰密封性能的影唰2 6 】等都是 目前研究的前沿领域。我国主要采用的是a s m e 方法，并据此编制了我国自己 的标准：j b 4 7 3 2 9 5 。 j b 4 7 3 2 9 5 z 7 】标准是国内第一部以应力分析为特征的国内分析规范，运用塑 性失效原则，按应力所在部位、应力性质和产生应力的原因对应力进行分类评 价。该标准有可靠的力学基础，以实际的使用经验为依据，在设计观点和方法 上反映出面向近代设计的先进水平，具有明显的科学性。 本文采用的理论计算方案为我国的g b l 5 1 1 9 9 9 和j b 4 7 3 2 9 5 标准。 1 3c a e 及二次开发技术现状和动态 计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 是迅速发展中的计算力 学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机技术相结合而形成 的一门综合性、知识密集型的科学。从字面上讲它可以包括工程和制造业信息 化的所有方面，但是传统的c a e 主要是指用计算机对工程或产品进行性能与安 全可靠性分析，对其未来的工作状念和运行行为进行模拟，以期及早发现设计 缺陷，对产品进行优化设计，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可 靠性【2 8 1 。 c a e 主要用计算机来对产品结构进行实时设计、优化，或者进行随后的分 析评定。核，1 5 、, 理论是基于现代计算力学的有限元分析( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 技 术。目前在工程技术领域内，常用的c a e 方法有：有限元法( f i n i t ee l e m e n t m o t h e d ；f e m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ；b e m ) 、有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ；f d m ) 等，其中应用最为广泛、最成熟的是有限元分析方法， 又称有限元法。现已应用于结构、热力学、流体、电磁场、声场、电学等及其 耦合场等领域。 常用的基于有限单元分析技术的c a e 软件有a n s y s 、m s c n a s t r a n 等， 它们的分析过程都包括前处理、加载和求解、后处理三个部分。不同用户对c a e 软件的要求千差力别，很难使每个用户都得到满足。这时就需要用户根据自身 情况对软件进行二次丌发，如可以定义单元、材料、边界条件等。这些也促进 了有限元技术的应用和发展。c a e 软件中模型离散化后的网格质量直接影响到 6 武汉理j r 大学硕七学位论文 以后求解结果的正确性，为了保证与实际相符，对有限元软件和分析工程师提 出了更高的要求。近年来，各个有限元软件开发商都加大其在网格处理方面的 投入与研发，从而使得对象的离散化后生成的网格质量和划分网格的效率都大 大提高了，但是仍然有许多不足之处，需要进一步改进与提高。现在对大多数 软件，只能通过映射、扫掠、拖拉等方法来生成六面体单元，这只能对较规则 的3 d 模型才能实现，对复杂的3 d 模型就很难适用，只能采用自由网格划分方 法，网格的质量会下降，收敛速度也会下降。 本文也是在有限元分析软件a n s y s 中通过二次开发的方法对换热器法兰 进行自动建模与计算，建模时通过映射和扫掠的方法对换热器法兰进行划分， 得到较为规则的网格，减小由于单元划分的因素对最终结果的影响。并在最终 结果得出后进行优化分析，得出最优的设计方案供用户参考。 1 4 本文工作 1 4 1 课题研究的目的和意义 在传统的设计中，鉴于压力设备安全问题的重要性，世界各工业国都制定 了相应的规范，其设计往往偏于保守，使得设计的容器显得又笨又重；另一方 面，保守的设计会引起用户和制造厂家成本上升，造成不必要的浪费。随着化 工设备向着大型化、复杂化、高参数化方向发展，作为压力容器零部件设计的 常规设计方法受到冲击，受压零部件的设计越来越多地利用压力分析完成。有 效利用a n s y s 软件进行有限元辅助分析设计，为化工机械设计提供了强有力的 技术支持，如何将a n s y s 等有限元计算软件强大的计算功能以统一的方法应用 在工程领域就成了一个新的研究方向。 利用各种可视化编程语言结合a n s y s 软件提供的接口进行二次开发，将大 量的建模、计算工作封装起来，使设计人员只需要根据程序提示输入结构参数 和状态参数就可以轻松地完成计算，节约了工作强度，同时也降低了有限元计 算对设计人员的理论要求，可以大大提高工作效率。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题拟采用对比的研究方法，即采集法兰影响较大的部位的尺寸改变时 7 武汉理t 大学硕士学位论文 以及不同操作工况下的应力场变化的数据，与原始尺寸时应力场数据进行比较， 找到差异，提取特征参数，作为优化换热器法兰的依据。在对某型号的换热器 法兰进行上述分析后进行优化，并提出优化方案供用户参考。全文共分为6 章， 其主要内容和结构如下： 第l 章对课题背景和国内外研究现状进行阐述。 第2 章介绍了换热器法兰设计的相关理论，包括g b l 5 1 1 9 9 9 、j b 4 7 3 2 9 5 标 准和换热器设计手册中关于换热器法兰设计的相关计算理论。 第3 章介绍了法兰三维有限元模型的建立，包括基本设计参数，需要进行分 析的几个操作工况，模型的简化。 第4 章介绍了a n s y s 软件中的二次丌发方法和使用高级编程语言d e l p h i 调 用a n s y s 进行分析计算的具体过程，采用a n s y s 软件自带的的a p d l 语言进行 设计程序的丌发。 第5 章对换热器法兰进行了三维有限元分析。通过之前丌发的二次开发程 序建立了换热器法兰联通壳体的局部有限元模型，对模型在不同操作工况下的 受力情况进行了分析计算，并对结果进行了分析比较，得出换热器法兰在条件 改变后的变化规律。 第6 章根据之前得到的数据对换热器法兰及壳体进行优化分析，得出优化 方案，并探讨改善换热性能的途径。 第7 章对全文进行了总结，并指出下一步的研究方向。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章换热器法兰设计的相关理论 与管壳式换热器法兰的强度计算相关的理论问题，目前仍是一个活跃的研 究领域。因为法兰的实际受力情况十分复杂，在研究中往往以理想化的方式对 实际结构进行处理，以进行强度分析、推导和论证。这导致了计算结果与实际 情况存在差异。在管壳式换热器内，封头、管箱、壳体、管子的内压强度和外 压稳定计算、耳架的强度计算及其壳体部分的局部应力计算，与普通压力容器 相同，但在换热器的实际使用中经常会碰到在管板和法兰部分发生泄漏的情况， 这极大的影响了换热器的工作性能。因此，管壳式换热器法兰的应力分析和计 算就显得非常重要。 法兰是连接壳体、水盖和管板，并承受压力和热膨胀以及来自此三部件的 载荷的主要部件，是管壳式换热器不可缺少的重要元件。法兰的理论计算基于 平板理论，之后又进行了进一步的发展，在弹性基础上将多孔网板进行当量计 算，得出较接近实际结构的计算结果。 2 2 板理论概述 管壳式换热器的法兰是一个大开口平板，因此长期以来，人们都采用经典 薄板理论作为其理论基础。 板受到垂直于中面的侧向载荷作用时，将产生弯曲变形。板弯曲的问题， 作为一个弹性力学问题，必须满足弹性力学的基本方程【2 9 】： 平衡方程：v 盯+ 厂= 0( 2 1 ) 变形几何方程( 应变位移关系) ：v g v = 0( 2 2 ) 物理方程( 应力一应变关系) ：仃= c ：g ( 2 3 ) 根据弹性力学经典理论【3 0 】，上述三个方程也可用空f u j 问题所描述的三组偏 微分方程来书写： 9 武汉理工大学硕士学位论文 平衡方程( 纳维叶方程) ： 几何方程( 哥西方程) ： 锄 2 瓦 加 0 2 万 o w t2 _ c z o w 却 k 2 瓦+ _ o zdv o uo w 。 娩瓠 o vo u 4 矸 a x 执 q = 吉 吒一y ( q + 吐) 】 。= 去 q y ( t + 吒) 】 t = 去 t y ( 吒+ _ ) 】 如= 掣k 比：掣。 = 掣 1 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 0 0 0 = i i i i x y z + + + 坠瑟笠缸笠砂 + + + 坠砂笠瑟坠缸虹一魂魄一钞缸一瑟 武汉理一l ：人学硕十学位论文 一般情况下，我们采用小挠度的圆平板作为假定基础，根据k i r c h h o f f - l o v e 假设【3 l 】， 1 、枚的中间没有燹形，在芎曲时此向保行中性。 2 、板中原来在中平面法线上的各点，弯曲后仍在中曲面的法线上。 3 、板的横向正应力可以不用考虑。 根据该假设，我们可以建立一个有效承受侧向载荷的板弯曲的近似理论， 同时可以推导出薄板小挠度理论的挠度微分方程： v 2 俨一虽 ( 2 7 ) 式中，v 为拉普拉斯算子，w 为挠度，q 为载倚强度，d 为板的弯曲刚度。 弯曲刚度又可以表示为： 肚嵩 ( 2 8 ) 1 2 ( 1 一y 2 1 式中，e 为杨氏模量，y 为泊桑比。 对于圆板或网形环板，当外载荷及板的支承条件关于旋转轴对称时，问题 将转化为轴对称问题，此时( 2 1 ) 中的拉普拉斯算子可以写成： v 2 = 嘉+ 三r 车a r ( 2 9 ) d ，一 轴对称圆板的挠曲微分方程可以写成： ! r 旦d r 坍铷= 五q 亿 其通解为： w = 爿，2 + b 厂2i n r + c i n r + k + 旦 ( 2 1 1 ) 6 4 d 。 式中：堡为环板的抗弯刚度，a、b、cdabc 、k 都为待定常数。式中= 二为环板的抗弯刚度， 、都为待定常数。 1 2 0 一2 ) 当网板为实心时，b 、c 等于0 ，此时通解为： w 珈2 “+ ( 2 1 2 ) 当实。心网板友卜于周边固支时，奠最大应力为： 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 吨；= 烈譬) 2 亿 当实心圆板处于周边简支时，其最大应力为： ( 叱屯) m x 一掣g ( 譬) 2 亿1 4 ) 式中，口为圆板直径，h 为圆板厚度。 实际的圆板周边支承并非理想的简支也不是完全的固支，n - i 以定义一个对 实心圆板来说与其周边结构有关的应力系数矿来计算板中的最大径向应力，且 已知实心圆板的材料在设计温度下许用应力【o - ：时，便可得到下式： t 嘲( 鲁) 2 中r 亿 则实心圆板的厚度可以确定为： 舱口嚣 仁1 6 ， 由上式可见，实心网板g i g - 度与其直径及所受载荷成正比，而与其材料的 强度成反比，当载荷与材料强度一定时，则其厚度将随直径的加大而增厚。 在环板中，当笔孑较小时，可以认为环板主要承受弯曲，可以直接利用圆 d i o i 叫l l 珍钐彦钐卅j嘞, , 2 1 n 塑翟压丑耳二 缓琵争- n 瓣ii 谢 ( c ) 图2 1 环板受力分析及分解图 在弹性范围内，运用叠加法将环板分解为图2 1f l j ( a ) 、( b ) 、( c ) - 部分。 根据公式- y 矢n ，情况( a ) 的轴向位移： 1 2 武汉理j ：人学硕十学位论文 睨= 茜 去 ( 3 + 鸬) ( x 2 ) + k ”升( ) 百- 4 k 2i n p 嘞2 一n p ) ( 2 1 7 ) 情况( b ) 的轴向位移： = 等 等斧( 1 _ 纠+ 4 去- n 州伽 亿 情况( c ) 的轴向位移： 彬= 0 ( 2 1 9 ) 总的位移为w = 形+ 呒。 情况( a ) 和( b ) 的径向位移可以通过上图看出，虬= 0 ，情况( c ) 的径向位移： “，= 击 ( t + 鸬) 等一2 ( ，一鸬) 。 c 2 2 。， 肌么= 等字瑚= 簪吨寄，吼鲁 将a 、2 c 、q 。、q b 代入“，的计算公式中，可以得到： 1 丘 ，、 1 脚2 瓦 内力方程： 应力公式： ( 1 + 鸬) ( 1 + 鸬) ( 等一等)i 红呜 b 2 一口2 ( 鲁一鲁)l 吃魄j b 2 一口2 一( 一鸬嵯萼芋 一( t 一鸬百b 萼挚 鸠一d ，l ( d 矿2 w # a 3 万d w ) 炉一d 3 ( id w 害) 1 3 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 武汉理一i ：大学硕士学位论文 平面应力i ，锄e 公式： 弯曲应力： 士咝 一h 2 + 咝 一h 2 将吼2 鲁、吼2 等代入相应公式就可以得到环板应力的表达式： 2 3 法兰设计方法概述 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 根据我国1 9 8 5 年出版的钢制石油化工压力容器设计规定，压力容器的 法兰设计采用的是w a t e r s 法【3 2 彤】，该方法是1 9 3 7 年由w a t e r s 等人提出的设计 方法。该方法同时为美国a s m e 、同本j i s 、法国c o d a p 及英国b s 标准采用。 方法指出：“法兰设计”实际上包括挚片设计、螺栓设计、法兰设计三个部分， 并且应该依次进行，其任一步的设计失利则直接影响以后步骤的进行。本文在 1 4 吼 如 矿一上矿一矿矿一矿一矿 一 一 一 + 一 一 11 11 吼 吼 o o “一。 扩一l矿一矿矿广一胪一矿 q q m 百 生3 矿一型胪矿“矿 上 。 一卜晦一产浙一碍褂可龇峭嘴 武汉理工人学硕十学位论文 w a t e r s 法兰设计方法是一种建立在弹性板壳理论基础上的分析方法。该法 将法兰结构( 无论平焊法兰或长颈对焊法兰) 分解为三部分，如图2 - 2 ： f h 护 m 图2 2 法兰结构示意图 圆筒部分被视为圆柱壳，即换热器壳体，圆筒的直径为换热器壳体的厚度； 锥颈部分视为线性变厚圆柱壳，即换热器壳体的焊缝位置，该圆台的高代表焊 缝的厚度；法兰环被视为环形圆平板，也即换热器的法兰部分。 根据上图可知，在法兰不同的状态时，受到的载荷情况不同。 2 3 1 预紧状态 当法兰处于预紧状态时，法兰需要与挚片保证密封，此时法兰的压紧力为0 ， 即全部由螺栓来提供，螺栓力与挚片反作用力相平衡，此时法兰力矩为： m 。= 慨 ( 2 3 1 ) 式中，为螺栓载荷，& 为力臂。 2 3 2 操作状态 当法兰处于操作状态时，受到三部分的轴向力： 1 ) 由压力在法兰内径截面上产生的轴向力： 武汉理t 大学硕士学位论文 b = 等球p ( 2 3 2 ) t 式中， d 为法兰内径，p 为法兰计算压力，此时的法兰力矩为： m d = f o s o ( 2 3 3 ) 式中，晶为力臂，如图2 2 。 2 ) 由压力在法兰内径与密