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石膏山拱坝空间有限元弹塑性分析
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官方公共微信管壳式换热器弹塑性有限元分析若干问题研究--《大庆石油学院》2010年博士论文
管壳式换热器弹塑性有限元分析若干问题研究
【摘要】：
管壳式换热器广泛应用于石油石化生产过程,是发生失效最多的设备之一,特别是在分析设计方法和胀接工艺中,复杂应力分析和强度评价、开孔管板等效实心板、管板与换热管胀接与工作条件影响仍存在问题。为此,本文采用弹塑性有限元分析和实验方法进行研究。在换热器复杂应力分析和强度评价方面,根据换热器结构和承受载荷的对称性,选取出入口管箱、管板、筒体、换热管等承载结构的一半为研究对象,建立了换热器结构应力分析的三维非线性有限元模型,采用子结构模型,假想截面给定已知位移边界,对壳体与接管区开展弹塑性分析,根据塑性极限载荷计算方法进行强度评价,所设计的换热器已安全运行多年,佐证了计算模型的合理性,为该类设备的复杂应力分析和强度评价提供了计算模型和方法。在开孔管板等效实心板方面,建立了换热器开孔管板结构应力分析的三维有限元模型,研究了管板与换热管胀接、焊接时的数值模拟方法,通过开孔管板模型和等效实心板模型的数值模拟结果对比,得到了管板开孔区域的应力集中系数,并采用主从节点绑定法模拟管板与换热管连接,提出了适用于有限元分析的开孔管板等效实心板的改进方法。在管板与换热管胀接与工作条件影响方面,首先,采用厚壁圆筒弹塑性分析方法,推导了无槽胀接接头分别在加工、工作温度载荷下的残余接触压力计算公式,为胀接过程、工作温度下的力学分析提供了计算方法,也为开槽管板与换热管胀接和工作条件下数值模拟提供了依据。其次,通过开槽胀接接头在不同胀接压力下的数值模拟,得到了接触压力和残余接触压力随胀接压力的增大而增加,当胀接压力达到一定值后,残余接触压力不再有明显变化,开槽位置附近存在较大残余接触压力,能够形成密封环。然后,通过开槽胀接接头在温度载荷下的数值模拟和实验研究,得到拉脱力在不同温度下的数值模拟与实验结果误差低于9.6%,残余接触压力随温度升高呈先增加而后下降变化,沿轴向分布逐步扩展。最后,考虑工作介质温度、压力作用,建立了工作条件下管板与换热管胀接的残余接触压力数值模拟方法,得到了最大残余接触压力随管程压力升高逐渐减小,随壳程压力升高先保持不变,当壳程压力达到临界值后呈快速下降;残余接触压力区沿轴向分布随管程压力变化不大,随壳程压力变化较大,当壳程压力大于临界值时,接触区逐步缩小;拉脱力随管程压力的升高而逐渐增大,随壳程压力的升高先略有降低,当壳程压力大于临界值后迅速下降;在胀接压力160MPa~200MPa胀接的管板与换热管,壳程压力临界值由5MPa增加到25MPa;在壳程压力低于5MPa时,推荐管板与换热管采用强胀接连接。
【关键词】：
【学位授予单位】：大庆石油学院【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TQ051.5【目录】：
ABSTRACT5-7
创新点摘要7-11
第一章 绪论11-16
1.1 研究目的及意义11
1.2 换热器及分析设计现状11-15
1.3 主要研究内容15-16
第二章 换热器多物理场分析和复杂应力强度评价16-51
2.1 换热器多物理场分析的有限元理论16-25
2.1.1 结构温度场分析的有限元理论16-18
2.1.2 结构应力场分析的有限元理论18-25
2.2 管壳式换热器温度场计算与分析25-31
2.2.1 换热器各部件传热参数及有限元模型25-27
2.2.2 操作温度下换热器温度场计算与分析27-31
2.3 管壳式换热器结构应力场计算和强度评价31-45
2.3.1 主要部件材料机械性能及换热器有限元模型31-35
2.3.2 操作工况下换热器结构应力场计算和强度评价35-42
2.3.3 壳程水压工况下换热器结构应力场计算和强度评价42-45
2.4 壳体与接管处强度评价与极限壳程水压计算45-50
2.4.1 标准推荐算法评价壳体与接管处强度45
2.4.2 结构塑性极限载荷计算理论45-49
2.4.3 换热器极限壳程水压载荷计算49-50
2.5 小结50-51
第三章 开孔管板在应力分析中的等效模型研究51-77
3.1 开孔管板的等效原理与方法51-54
3.2 开孔管板结构应力数值模拟54-61
3.2.1 开孔管板有限元模型54-55
3.2.2 操作压力下开孔管板的计算结果与分析55-59
3.2.3 操作温度和压力下开孔管板的计算结果与分析59-61
3.3 等效实心管板模型改进方法研究61-76
3.3.1 等效实心管板有限元模型61-62
3.3.2 等效管板与开孔管板应力分析结果比较62-74
3.3.3 等效实心管板模型的改进方法74-76
3.4 小结76-77
第四章 换热器胀接接头胀接机理分析77-90
4.1 胀接接头胀接原理77
4.2 无槽胀接接头胀接过程力学分析77-84
4.2.1 双层厚壁圆筒胀接理论分析77-81
4.2.2 无槽胀接接头胀接算例81-84
4.3 开槽胀接接头胀接过程数值模拟84-89
4.3.1 开槽胀接接头胀接有限元模型84-85
4.3.2 胀接过程数值模拟及结果分析85-89
4.4 小结89-90
第五章 温度载荷下胀接接头胀接性能的理论和实验研究90-104
5.1 温度载荷下无槽胀接性能的理论分析90-95
5.2 温度载荷下开槽胀接性能的数值模拟95-98
5.3 温度载荷下胀接性能的实验研究98-102
5.3.1 实验试件98-99
5.3.2 实验设备及方法99-101
5.3.3 实验结果及分析101-102
5.4 数值计算与实验结果对比分析102-103
5.5 小结103-104
第六章 工作条件下换热器管板与换热管胀接性能分析104-119
6.1 换热器管板与换热管胀接有限元模型104-105
6.1.1 管板与换热管胀接结构104-105
6.1.2 管板与换热管胀接的有限元模型105
6.2 管板与换热管胀接性能分析105-107
6.3 工作温度下胀接区性能分析107-112
6.3.1 胀接区温度场分布107-108
6.3.2 工作温度下胀接区密封性能分析108-111
6.3.3 工作温度下胀接区拉脱强度分析111-112
6.4 工作压力下胀接区性能分析112-117
6.4.1 接触区轴向变化模拟112-113
6.4.2 管、壳程压力下胀接密封性能分析113-116
6.4.3 管、壳程压力下胀接拉脱强度分析116-117
6.5 小结117-119
结论119-121
参考文献121-131
发表文章目录131-132
致谢132-133
详细摘要133-144
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第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
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