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《北京化工大学》 2000年
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换热器固定管板有限元应力分析的进一步研究

马永其  
【摘要】:本文概括地阐述了管壳式换热器技术进展、目前国内外的标准化发展状况、管壳式换热器强度计算方法的发展情况,以及对当前我国管壳式换热器标准规范的设计规定分析,并根据近年来国内工程界和学术界有关“薄管板”问题和危险工况的研究讨论,论述了标准规范的局限性。指出局限性的产生原因是由于标准规范中对管壳式换热器进行强度分析所采用的方法所至,提出可用有限元法对管壳式换热器进行整体模拟的分析方法,来弥补这些不足之处。 简述了有限元方法的历史。阐述了采用轴对称一维蜕化板单元模拟弹性基础的管板,管束为弹性基础、采用轴对称一维蜕化壳单元模拟壳体和管箱、采用8节点等参二维单元模拟法兰、采用轴对称一维蜕化壳单元或弹簧单元模拟膨胀节、采用弹簧单元模拟螺栓、以及采用特殊的过渡单元进行一维单元和二维单元连接模拟的方法。这一方法很好地模拟固定管板式换热器管束一管板—法兰—壳体—膨胀节系统,并得到良好的计算精度,适用的换热器类型宽,灵活性大。 由于在程序编制的过程中表现出了FORTRAN语言程序的局限性,因而根据程序编制的实际需要对有限元程序发展状况进行了研究,研究表明采用先进的面向对象设计方法进行有限元程序的设计和开发,是科学计算领域中一个新的方向。简述了面向对象的方法及特点。采用面向对象方法建立了弹性体结构有限元分析类库,并与过程化程序方法进行比较,说明了采用面向对象方法所编制的程序具有更好的可维护性,可扩充性,可重用性等优越性。通过采用面向对象设计方法对薄板轴对称弯曲问题有限元分析程序的进行编制实践,应用面向对象的VC++语言描述了具体开发程序。实践证明虽然有限元分析过程存在自身的复杂性及本质的过程化,但在程序中其面向对象设计方法的优越性已显露出来。另外,在实践中体会到掌握面向对象设计方法需要很大的灵活性,需要花费一定的时间,要创造性地运用这一方法,更需要时间和实践,特别对于FORTRAN程序设计人员尤为如此。简述了Microsoft Visual C++5.0集成开 1! 北京化口二大学博士学位论文 ......................口.口....... 发环境。采用面向对象设计方法及Microsoft VisuaIC一5.0集成开发环境进行 了固定管板式换热器有限元应力分析系统的开发、设计和实现。通过采用两种 不同的方案进行系统对象的确立和程序的编制,实践证明采用面向对象设计方 法编制固定管板式换热器有限元分析系统是十分灵活的,程序的良好和工作量 的大小,取决于对问题的理解程度和系统对象的确立。开发出了具有: (l)基于w取DOwS操作系统下的窗口图形化人机界面,操作清晰简便; (2)具有可靠的、隐藏在内部的、面向对象的有限元分析体系; (3)可对不同结构类型的固定管板式换热器进行灵活、快速的有限元应力分 析,具有强大的灵活性和广泛的覆盖域: (4)具有丰富的扩充接口,可以灵活可靠地进行有限元分析方法的扩充,以 及换热器元件类型的扩充; (5)易学易用,不要求用户处理有限元模型,提高了效率和安全性。 等特点的固定管板式换热器有限元应力分析系统。 详细阐释了“薄管板”一词的概念,说明了“薄管板”结构的优点和常见 的结构型式,通过对“薄管板”结构强度计算的分析,提出了一则“薄管板” 型管板应力表达式。采用本文所研究有限元法对“薄管板”型管板强度进行了 计算,并通过采用本文研究的程序对大量各种结构参数的“薄管板”进行计算, 应用RBF神经网络对“薄管板”的布管区和非布管区的应力系统进行了系统辩 识,网络输出值与计算值符合较好,得出了“薄管板”的布管区和非布管区的 应力关系式,得出若在此基础上进行进一步的研究工作便可归纳总结出工程中 方便使用的、繁复程度适当的经验公式。 描述了管板应力测试实验的内容及过程,并采用本文研究程序的计算结果 与实验的实测结果进行比较,计算曲线与实测结果基本符合。分析了实验的结 果,提出了今后改进类似实验的建议。实验达到了证明有限元应力分析计算方 法的有效性、验证了采用面向对象设计方法编制程序的正确性、及得到“薄管 板”结构的固定管板式换热器管板应力分布的感性认识的目的。 关键词:面向对象:有限元;换热器;应力计算:管板 II
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