液压胀接接头强度参数化有限元分析开题报告

 2021-08-08 02:08

全文总字数:3647字

1. 研究目的与意义

在化工、石油、医药、原子能和核工业中,管壳式换热器的应用十分广泛。在管壳式换热器的设计、制造中,换热管与管板之间的连接问题直接影响工艺操作的进行,也是整个生产制造的重点之一。因此,对管子与管板连接接头的强度和密封性能的研究有着重大意义。液压胀接是换热管和管板连接的方法之一,其接头的性能主要取决于强度和密封性能,而这些又都与胀接后管子与管板之间接触区域上的残余接触压力有关,残余接触应力又和管板和接管的几何参数、胀接压力有关。随着计算机技术的发展,有限元软件被越来越多地应用到应力分析设计中来。

ANSYS是被国家容委会认可的压力容器应力分析工具,用户在运行界面中输入一系列参数,ANSYS就能自动调用计算程序,求解受力,大大简化求解过程,提高工作效率。在进行有限元分析时,很多容器在结构上基本相同,仅在尺寸上有所差别,如果再进行建模分析,不仅工作量庞大,而且延长设计周期。此时需要借助参数化思想,使有限元建模与分析实现参数化,从而提高有限元分析的效率。

本课题将在胀接接管残余接触应力分析中采用参数模块化技术,通过Visual Basic进行二次开发,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,提高分析的效率。

2. 国内外研究现状分析

管壳式换热器在这些工业领域中有着广泛地应用,而换热器中管子与管板的连接接头是制造、设计过程中数量最多、变形最复杂、使用过程中失效最为频繁的地方。胀接是管子与管板连接的主要形式之一,但传统的机械胀接劳动强度大、生产效率低、管子粗糙、残余应力大。近年来,一些新工艺迅速发展,液压胀接就是其中一种。与机械胀接相比,液压胀接具有工作效率高、胀接质量好和生产成本低等优点。液压胀接是利用液体压力作用于换热管的内表面,使之产生大的塑性变形并与管板孔接触,依靠卸除压力后的残余应力使管子与管板达到紧密连接[1]。胀接强度和密封性能是衡量管子与管板连接性能的主要指标,因此,对管子与管板连接接头的强度和密封性能的研究有着广泛的工业应用价值和较大的理论研究意义。国内外学者和工程技术人员已经开展过一些换热器管子与管板连接性能的研究。2007年,段成红[2]对液压胀接接头、焊接接头、胀焊结合接头进行了接头强度的试验研究和数值模拟实验分析,并具体阐述了液压胀接中胀接残余接触应力对密封性能的影响以及残余接触应力的影响因素,即在相同的胀接压力下,若管程工作温度(或压力)高于壳程工作温度(或压力),接头密封性能增强。反之,若管程温度低于壳程温度,接头密封性能略有减弱。在相同的胀接压力下,若管、壳程的温差恒定,随着流体温度的升高,接头密封性能略有下降。此外,2003年,田君丽[3]实验分析了不同管板、管子材料的组合对液胀接接头密封性能的影响,还分析了胀接压力的作用,并得出结论,即开槽胀接的密封性能更好;液压胀接时,存在一最佳胀接压力,超过此压力,残余接触压力可能随胀接压力增大则反而出现下降,也即密封性能变差。

有限单元法近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高。随着有限元技术的发展及应用,特别是1995年全国锅炉压力容器标准化技术委员会发布JB4732标准之后,ANSYS软件成为第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并且在国务院十七个部委推广使用的分析软件,广泛应用于一般工业和科学研究[4]。用户在运行界面中输入几何参数、材料、载荷参数等,ANSYS就能后台自动调用计算程序,求解受力,大大简化求解过程,提高工作效率。2011年,汤伟、尹侠[5]运用ANSYS软件对双管板换热器的内管板进行液压胀接模拟,并采用优化设计方法,对胀接压力进行了优化,获得了最佳的液压胀接压力。

但ANSYS有限元软件建模方式为单向建模,模型一旦建成,便不易进行大范围的修改,即使计算模型很类似,也要重新建模。如在有限元分析中采用参数化技术,就能减少工作量,并且通过编写用户界面,使有限元计算过程只需在简单的界面上填写参数就能实现,缩短了设计周期[6]。2005年,杨秀萍、王鹏林[7]以高速响应电磁阀内的圆柱弹簧为例,利用ANSYS的APDL语言详细阐述了零件在给定新的参数后自动进行有限元分析的实现过程,随之减少了设计者重复工作,提高了效率。2008年,魏勇、邬向伟[8]对双波谐波摩擦传动中的柱形柔轮的建模参数化分析,阐述了参数化分析的重要性。次年,刘秀珍、李立新、朱福生[9]建立弹塑性大变形有限元模型并采用动力显式算法对方矩形管冷弯成型过程进行仿真计算分析,实现了在ANSYS界面下输入预设辊花参数,得到冷弯变形后板料的等效塑性应力应变。

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3. 研究的基本内容与计划

研究内容:用数值分析的方法对胀接接管的残余应力做出分析;在查阅文献的基础上综述胀接接管的应用场合、残余接触应力特点、有限元软件参数化设计的方法和国内外研究进展等;应用ANSYS软件中参数化设计模块,通过编写和VB的接口程序,对胀接接管残余接触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。

时间安排:

1~3周:调研及查阅文献,翻译外文资料写出开题报告;

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4. 研究创新点

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