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1. 研究目的与意义

换热器是传递流体间热量的设备，是实现工业生产中热量交换必不可缺的设备。保证换热器工作的安全性和高效性是实现节约能源和保护环境的重要环节。其中管壳式换热器以结构紧固，选材广泛，适应工况变化能力强等优点使其在换热设备领域占据主导地位[1]。

换热管和管板连接是换热器制造核心的技术之一，加工制造过程工作量大，运行过程易发生故障，所以连接过程必须保证很高的工艺质量。目前，换热器管子管板连接主要有焊接、胀接、焊胀并用几种方式。每种连接工艺都有其适用的范围。而液压胀接以其结构简单，换热管修整方便等优点受到广泛应用，但也存着制造和使用过程中残余接触应力变化复杂的问题而被广泛研究。

目前，对换热器液压胀接残余接触应力的研究主要有实验研究法和数值模拟法，实验研究法能得到比较准确的数据，但只适用于与研究对象的材料和结构尺寸相似的设备，适用性和操作性欠缺。随着有限元软件和计算机技术的发展，数值模拟方法被越来越多地应用到研究工作中，有效提高了准确性和研究效率。本课题将应用ansys大型有限元软件，分析在不同的条件下换热器液压胀接残余接触应力的变化，为制造提供参考依据。

2. 国内外研究现状分析

换热器又称热交换器，是化工、石油、医药、核电等领域的核心设备之一。其用途十分广泛，结构类型也比较多样。而管壳式换热器以制造性和使用性较高的综合性能比得到了广泛使用。管壳式换热器的接头连接是生产过程中工序最复杂的工艺，关乎换热器的可靠性和使用寿命。换热器管板和管子连接处一旦发生故障，将给企业带来经济损失，造成环境污染甚至导致人身伤害。换热管与管板的连接接头数量大、连接位置苛刻、管口接头受力复杂、受腐蚀破坏作用强等，对连接致密性和力学性能要求很高，一直是国内外科研人员研究的焦点[2]。

对换热器液压胀接技术的研究已有较长历史，很多学者对液压胀接技术做出了大量贡献。1943年美国学者goodier和schoessow[3]将换热管运用弹塑性理论简化为带孔无限大平板，对胀接残余应力和残余变形进行了探讨，并提出胀接理论。1976年krip等人提出了液压胀接的新型连接方式，通过施加液压载荷使管子发生塑性变形，将其与管板连接起来，这种液压胀接的压力能得到精确有效的控制，制造质量也能得到保证。1984年，scott等利用有限元分析法，将胀接问题简化为二维轴对称模型，模拟了胀接接头过渡处的应力状态。1992年chaaban[4]利用有限元非线性分析功能结合统计学方法，创新出参数化的分析法，得出了残余接触应力并推导出等效套筒外径的经验方程。yokell也于同年给出了假定管子管板为理想弹塑性材料，且外管壁无限厚时的胀接残余接触应力公式。之后大量科研人员对液压胀接技术做了大量研究攻关，尤其随着计算机技术和有限元理论的快速发展，为模拟真实液压胀接情况下的残余接触应力提供更为方便、快捷、高效的研究途径。merah[5]等人通过ansys软件模拟了管子管板在不同初始间隙情况下的液压胀接情况，得出对于高应变硬化材料，初始间隙对残余接触应力以及壁厚变薄影响很大，在初始间隙较小时仿真分析出的残余接触应力与实验结果相近。

我国的许多学者也为换热器液压胀接残余接触应力的研究做出了巨大贡献。颜惠庚[6]使用自行研制的液袋式液压胀管机作为胀接设备，研究换热器液压胀接的规律。在不同的压力下进行单管胀接，并用弹性卸载法测量了液压胀接的残余接触应力。通过对比实验结果和理论结论，结合拉脱力推导出换热管和单管模型间的静摩擦系数，从而推导出可以准确预测液压胀接后残余接触应力的计算公式。刘敏珊[7]等通过建立ansys有限元平面模型，用来仿真分析液压胀接时的应力应变变化过程，计算接触压力，得到了液压胀接缷压后管子和管板之间的残余接触压力。总结出管板外径对液压胀接的接触压力和残余接触压力影响很小的结论。陈龙[8]运用弹塑性有限元理论，以换热器管子管板的实际结构建立三维非线性有限元模型，综合工作介质对管子管板连接处的影响，考虑液压胀接工艺和缷压过程，给出了换热器管子管板残余接触应力的计算方法。通过引入应力集中系数概念，采用主从节点绑定法模拟管子管板连接，提出了适用于多孔管板有限元分析的等效实心板改进方法。王海峰[9]等运用有限元分析法，研究了液压胀接残余接触应力受材料、结构和胀接压力时的影响，并且对温度场在胀接时和胀接后对连接性能的影响进行了模拟。随后他又运用ansys强大的非线性计算能力模拟液压胀接过程，考虑对接接头残余接触压力受管子与管板材料、几何尺寸和胀接压力的影响，计算方案使用正交试验法，把所得到的数据回归从而推算出接头残余接触压力估算公式，同时给出了液压胀接贴胀压力的计算方法。最终得出对接头残余接触应力影响最大的是管子与管板材料的匹配关系和胀接压力，管子与管板孔之间的间隙和管子壁厚、管板厚度的影响次之。段成红[10]运用试验和有限元分析法研究了换热器管子管板在常温下液压胀接时的拉脱应力和失效形式。2007年，在其博士论文中，段成红[11]深入研究了管子管板接头的强度和密封性能。首先用实验法得到连接处相关材料的应力应变曲线，再通过数值模拟获得材料性能数据，从而保证材料数据的准确性；随后又分析了胀接接头在实际工况中的密封性能，并计算分析密封环带上最小残余接触应力受接头整体温度、管程和壳程在不同温度和压力的影响。梁新文、刘巨保[12]等通过研究换热器液压胀接时管板内开槽情况，以三维非线性有限元模型，求解出接触应力、残余接触应力的分布情况，以及液压胀接的胀接压力变化对分布情况产生的影响情况，从而描述出胀接时接触和材料非线性效应。李又香[13]在完成液压胀接过程常规计算的同时分析了不同工作状况下最大和最小胀接压力，通过建立第一次胀接与最后一次胀接的三维非线性有限元计算模型，运用ansys有限元软件对液压胀接过程中的等效应力和残余接触应力分布情况进行分析，并得出多次胀接后换热管之间的相互影响，拓展了多管胀接研究领域。于洪杰、钱才富[14]为建立胀接接头的密封判据，提出防漏残余接触压力的概念来表示接头的紧密程度。分析了防漏残余接触压力受胀接压力、管板厚度、换热管与管板间的初始间隙等情况的影响，，推导出残余接触应力的计算公式；建立防泄漏的密封判据，并在初步分析的基础上给出了液压胀接所需胀接压力的计算公式。防漏残余接触压力概念的提出将胀接接头强度和密封性能的要求统一归结为胀接压力大小的确定。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：本课题的主要任务是应用数值模拟的方法分析换热管和管板液压胀接的残余接触应力。了解液压胀接和其他链接方式的不同，在查阅文献的基础上综述液压胀接的原理、应用情况及国内外研究进展等。应用有限元分析软件ansys分析在不同的条件下（材料、胀接压力、管和管板间隙、管板厚度、胀接长度、管孔开槽等）胀接残余应力的变化情况。

时间安排：

1~3周(12.18~2.25）：调研及查阅文献资料，翻译英文文献，完成开题报告；

4. 研究创新点

无