固定管板式换热器管板参数化有限元分析开题报告

1. 研究目的与意义

管板是固定管板式换热器的重要组成部分，在换热器工作时，管板受到换热管的拉应力，由于管子与壳体热膨胀不同导致的弯曲应力以及兼做法兰部分的弯曲应力等诸多应力，由于它受力复杂，故在使用传统的剪切弯曲方程等人工方式分析计算其受力情况时工作量相当庞大，且效率低下，容易出现偏差，因此借助计算机以及大型工程软件来解决这一问题便显得刻不容缓。通常采用的软件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC这四种主流的有限元分析软件，然而利用这些软件进行分析也存在着一定的弊端，在这样的分析过程中，一般要通过人机交互图形化用户界面设计（GUI），这就意味着每一次对于特定模型的结构应力分析都要重新建模，这无疑增加了设计者工作量。在这样的背景下，参数化的建模设计方法被引入到实际应用中。本课题主要利用了VC 6.0与ANSYS这两款软件来完成可视化的参数分析过程，ANSYS这款软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。而VC一直以来以其出色的可视化设计界面深受用户青睐。本课题利用二次开发的思想，通过将ANSYS的分析过程以命令流的形式与已编写的VC接口相连，实现用户最简洁的可视化操作。用户只需在编写制作出的应用软件中输入一系列的参数就可得到相应的分析结果。

2. 国内外研究现状分析

对压力载荷和热载荷作用下的换热器管板进行理论研究，其先驱可推gardner和miller。美国管式换热器制造商学会(tema)中的管板设计方法，是根据gardner等人的分析结果，经过简化得到的，为使用方便还配备了其简化的曲线。美国asme规范根据gardner的分析，认为孔板中只在靠近板表面的一薄层金属中存在较大的温度梯度(称为表面热效应)，因而只在板表面处存在显著的热应力，而其余部分热应力可以忽略，但实际上管板中的温度场非常复杂。由于其结构本身的复杂，几乎无法对一个具有几千根管子的实际换热器进行直接的三维分析，为此，singh与holtz，ohol，kasahara与iwata等对此进行了各种简化分析。国内，徐鸿较早地将asme关于管板设计的新方法和新思路引入我国。陈罕等采用有限单元法对固定管板应力进行计算，将我国现行换热器标准在计算中考虑到的因素都包含进去，并保持了标准中对管板力学特性的假设不变，而且还可以比标准的计算方法有更大的灵活性，适应更多的管板结构形式，与实验的结果相一致。吴德胜、薛明德试图从管板(包括与其相连的换热管与壳体)的温度场、热应力分析出发去探讨改善管板设计的途径，提出了一种分析换热器管板温度场的简化方法。他们将管板温度场分析分为单元分析与总体分析两步，给出了一种物理模型与算法。其分析得出的结论是在布管区与非布管区过渡处、管板与壳体连接处有较大的温度梯度，而管子与管孔胀接处的接触热阻使管板中的表面热效应减小，沿管板厚度温度梯度均匀化，其得出结果与实际有很好的吻合。经树栋、陆毅在对高温高压的硫磺回收装置废热锅炉进行有限元分析时得出的结论，认为对于挠性管板，在设计工况下废热锅炉最大应力发生在管板与筒体的圆弧过渡区；而为了保证整个废热锅炉的安全运行，他们认为换热器与管板的焊接质量是至关重要的。对管板的分析，前人做了大量的工作和假设，取得了非常显著的成果，这些成果经过在工程中的应用，取得了较好的效果，并对规范的制定产生了重要的影响。

参数化设计是指通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸 ,自动完成对图形中相关部分的改动 ,从而实现尺寸对图形的驱动 ,其中进行驱动所需的几何信息和拓扑信息由计算机自动提取。参数化设计极大地改善了图形的修改手段 ,提高了设计的柔性 ,在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用 ,体现出很高的应用价值 ,能否实现参数化目前已成为评价cad系统优劣的重要技术指标。

一般应用在优化技术上，通过将模型参数化，优化过程中不断对其进行迭代而求出最佳解。参数化建模是参数（变量）而不是数字建立和分析的模型，通过简单的改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型

3. 研究的基本内容与计划

查阅国内外文献，全面熟悉和了解固定管板式换热器管板结构形式，应力特点、分析研究的方法、有限元软件参数化设计的方法、国内外对管板参数化设计研究进展。应用ansys软件中参数化设计模块，通过编写和vc的接口程序，对管板应力进行参数化分析，使专业的有限元分析过程简化为在简单的界面上填写参数，完成计算，提高计算的效率。

进度计划：

1~3周 (2.25~3.17）：调研及查阅文献，翻译外文资料，撰写开题报告；

4. 研究创新点

1）采用有限元软件ansys 分析固定管板式换热器，建立有限元模型，并对管板的强度等进行应力分析及评定，为今后换热器强度分析和优化设计提供理论依据。

2）与vc 6.0编程软件相结合，采用可视化的友好界面设计，输入参数生成ansys可调用的前处理命令，实现ansys的后台调用。实现完全采用vc操作的平台设计，整个过程用vc 6.0生成前处理命令文件，用预先设定的主命令嵌套调用参数文件和后处理文件。

3）当开发人员开发别的程序用于其它计算时，可以参考该文的思想，在设计上添加开发人员想要得到输入输出命令，分析大型的工程实际问题。