U形管换热器设计及三维参数化建模

四川理工学院毕业设计 U形管换热器设计及三维参数化建模学 生：陈 志学 号：08041020102专 业：过程装备与控制工程班 级：2008.2指导教师：石 艳 四川理工学院机械工程学院二O一二年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： U形管换热器设计及三维参数化建模 系：机械工程学院 专业： 过程装备与控制工程 班级： 2008.2 学号： 08041020102 学生： 陈 志 指导教师： 石 艳 接受任务时间 2011年1月3日 教研室主任 （签名）系主任 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1）遵循GB150/GB151的相关规定，对U形管换热器进行结构和强度设计2）以Pro/ENGINEER为平台，实现换热器主要零部件（壳体、封头、管束、管板和支座等）的参数化和系列化设计3）实现换热器的虚拟装配4）完成：毕业设计（论文）1份；换热器三维装配模型2套（其中1套为参数驱动的变形设计模型）；主要零部件参数化模型1套；零件图1张（手工图）2指定查阅的主要参考文献及说明GB150-98钢制压力容器及GB151-99钢制管壳式换热器、化工原理、换热器设计手册、Pro/ENGINEER三维产品建模、Pro/ENGINEER企业实施与应用、Pro/ENGINEER工图程设计3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料收集，阅读文献，完成开题报告3月03日至3月22日2完成上机实验的准备工作3月23日至4月23日3的完成实验数据的采集和处理工作4月24日至5月13日4完成设计论文的撰写5月14日至5月24日5完成设计论文修改，答辩的准备5月25日至6月01日 摘 要参数化设计是通过改变参数值来驱动构件的形状，零件的移动、删除和尺寸的改动都会引起相关构件参数的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改，从而提高了工作效率和工作质量，这就是参数化设计的重要优点。本次设计是U形管式换热器的设计，并用Pro/ENGINEER软件对U形管换热器进行三维参数化建模。关键词：换热器；参数化；Proe/ENGINEER ABSTRACTParametric design is by changing the parameters to drive the shape of the components, components of the mobile, delete and the size of the changes they will cause some component variation of parameters, a view of what happened under any change can be parameterized, two-way spread to all the view, to ensure that all of the consistency of the drawings, shall not be obliged to modify one all views, so as to improve the working efficiency and quality of work, this is an important parameter design advantagesThis design is u-shaped tube exchanger design, and Pro/e software to U shape heat exchanger for 3 d parametric modeling.Keywords: heat exchanger; Parametric; Proe/ENGINEER 目录摘 要IABSTRACTI第一章 绪论11.1换热设备在工业中的应用11.2 U形管换热器简介21.3换热设备研究现状及发展动向3第二章 工艺简述72.1 换热器的选型72.2 介质流动空间的确定72.3 介质流动方向的选择72.4 管子排列方式的选择8第三章 结构及强度计算93.1原始数据93.2 U型换热管设计93.2.1 U形换热管基本尺寸93.2.2换热管的材料、排列方式及厚度93.2.3布管限定圆93.3壳体设计103.3.1壳程筒体壁厚计算及校核103.3.2管箱圆筒壁厚设计及校核113.4封头设计123.5 管板设计123.5.1法兰选择133.5.2管板尺寸确定133.5.3组合工况下管板的强度校核143.6小结16第四章 三维参数化建模174.1参数化设计174.1.1参数化设计的概述174.1.2参数化设计在CAD中的应用174.1.3参数化设计的本质及意义174.1.4参数化设计的历史和现状184.1.5常用的参数化设计软件194.2主要零件参数化建模194.2.1关系驱动参数化建模204.2.1.1壳体的参数化建模204.2.1.2封头建模254.2.2族表参数化建模304.2.2.1法兰建模304.2.2.2鞍座建模364.2.2.3螺栓建模424.3装配建模514.4小结54第五章 结论55参考文献56致 谢57第一章 绪论1.1换热设备在工业中的应用换热器概隐藏窗体顶端窗体底端换热设备在工业中的应用在工业生产中，用于在两种或两种以上流体间、一种流体一种固体间、固体粒子间或者热接触且具有不同温度的同一种流体间的热量（或焓）传递的装置称为换热设备。它是化工、炼油、食品、轻工、能源、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用 的一种通用设备。对于迅速发展的化工、炼油等工业生产来说，换热设备尤为重要。在化工厂中，换热设备的投资约占总投资的10%-30%,在炼油厂中，约占总投资的35%-40%。近20年来，换热设备在能源储存、转化、回收，以及新能源利用和污染治理中得到了广泛的应用。在工业生产中，换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到工艺过程规定的指标，以满足工艺过程上的需要。此外，换热设备也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，烟道气（约 200300 ）高炉炉气压力蒸汽（约 500 ）需要冷却的化学反应工艺气3001000）等余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供热、供气、发电和动 力的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗和电耗，提高工业生产经济 效益。 换热设备随着使用目的的不同，可以把它分为热交换器、加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件不同，换热设备又有各种不同的形势和结构。 另外，在化工生产中，有时换热设备作为一个单独的化工设备，有时则把它作为某一工艺设备中的组成部分，如氨合成塔中的下部热交换器、精馏塔底部的再沸器和顶部的回流冷凝器或分凝器等。总之，换热设备在化工生产中的应用是十分广泛的，任何化工生产工艺几乎都离不开它。近年来，随着这节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热设备进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。目前，在换热设备中，使用量最大的是管壳式换热器。随着环境保护要求的提高，近年来加氢装置的需求越来越多，如氢裂化，汽油、柴油加氢和润滑油加氢装置等建设增加，所需的高温、高压换热器数量随之加大，螺纹锁紧环换热器、密封环换热器、金属垫圈式换热器、密封盖板式换 热器技术发展越来越快，不仅在承温、承压上满足装置运行要求，而且在传热与动力 消耗上发展较快，同时亦适用于乙烯裂解。化肥中合成氨、聚合和天然气等场合，可 满足承压高达 35MPa，承温达 700的使用要求。在这些场合，换热设备占有的投资 占 50%以上。在5001200燃气、合成器、烟气使用的石油、化工、乙烯、原子能、航天、化肥等领域使用的换热设备主要是用特殊材料制成的废热锅炉。这些废热锅炉回收了大量的热能。如温度高达550780炼油装置燃气统，4501200的航天发动机燃气系统，6801100的化肥合成系统等。1.2 U形管换热器简介U形管换热器是将管子弯成U形，管子两端固定在同一块管板上的换热器。U形管式换热器是由管箱、壳体、管束等组成。壳体与管子分开，可不考虑热膨胀。因U形管式换热器仅有一块管板，没有浮头，所以结构比较简单，造价比其他换热器便宜。换热管做成U形，两端固定在同一块管板上，由于壳体和管子分开，可以不考虑热膨胀，管束可以自由伸缩，不会因为流体介质温差而产生温差应力。由于换热管均做成半径不等的U形弯，除最外层损坏后可更换外，其余的管子损坏只有堵管。和固定管板式换热器相比，它的管束的中心部分存有空隙，流体很容易走短路，影响了传热效果，管板上排列的管子也比固定管板式换热器少，体积有些庞大。为增加流体介质在壳程内的流速，可在壳体内设置折流板和纵向隔板，以提高传热效果。管束可以从壳体内抽出，管外便于清洗，但管内清洗困难，所以管内的介质必须清洁及不易结垢的物料。由于传热管的结构形式关系，管子的更换除外侧一层外，内部管子大部分不可能更换，管束中心部分存在空隙，所以流体易走短路，影响传热效果。而且管板上排列的管子较少，结构不紧凑。U形管的弯管部分曲率不同，管子长度不一，因而物料分布不如固定管板式换热器均匀。管子因渗漏而堵死后，将造成传热面积损失。U形管式换热器一般使用于高温高压的情况。尤其使用在压力较高的情况下，U形管式换热器。弯管段的壁厚要加厚，以弥补弯管后管壁的减薄。要求采用正方形排列。一般情况按三角形排列，壳程需要常常清洗的管束。管程为偶数程。壳程内按工艺要求装置折流板，纵向隔板等，折流板由拉杆固定，以提高换热设备的传热效果。纵向隔板是一矩形平板，安装在平行于传热管方向（纵向隔板按工艺要求决定）。以增加壳侧介质流速。U形管式换热器的特点是： 1、管束可以自由抽入和抽出，方便清洗；2、壳体和管子分开，管束以自由伸缩，壳体和管壁不受温差限制3、可在高温、高压下工作，一般适用于温度500，压力10MPa；4、可用于壳程结垢比较严重的场合；5、可用于管程易腐蚀的场合；6、管子的U形处易冲蚀，应控制管内的流速；7、单管程换热器不适用；8、管间距较大，所以传热性能较差。1.3换热设备研究现状及发展动向 20 世纪80年代以来，换热设备技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种 新型、高效换热设备的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，市场经济的发展、私有化比例的加大，降低成本以成为企业追求的最终目标。因而节能设备的研究与开发备受瞩目。能源的日趋紧张、全球环境气温的不断升高、环境保护要求的提高给换第热设备及空冷式换热设备及高温、高压换热设备带来了日益广阔的应用前景。在地热、太阳能、核能、余热回收、风能的利用上，各国政府、民间研究机构的企业都加大了资金力度，主要表现在下列几个方面。 （1）研究机构 美国传热研究公司（Heat Transfer Research Inc.）即HTRI，是1962年发起 组建的一个国际性、非赢利的合作研究机构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热设备设计的丰富经验，在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面做出了巨大贡献。几年来，该公司在计算机应用软件开发上发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热设备工艺设计软件计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内有20家成为HTRI会员。 英国传热及流体服务中心（Heat Transfer and Fluid Flow Service）即HTFS，于1967 年成立，隶属于英国原子能管理局。该中心有会员数百家，长期从事传热与流体课题研究，所积累的经验和研究成果不仅广泛用于原子能工业，而且用于一般工业。它最大的特点是与各大学和企业合作，进行专门的课题研究，研究成果显著。在传热与流体计算上更精确，开发的HTFS、TASC各类换热设备微机计算软件备受欢迎，国内有30多家企业成为会员。 （2）我国换热设备发展现状 进入21世纪后，大量的强化传热技术应用于工业装置，我国换热器产业在技术水平上获得了快速提升，板式换热器日渐崛起。如兰石换热设备公司板式换热器成功进入国内核电建设项目常规岛和核岛领域，并陆续将板式换热器用于大乙烯项目、钛白粉生产线等领域。四平巨元瀚洋板式换热器公司也成功进入大亚湾二期岭澳核电站的常规岛和核岛领域。最近几年，我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。飞速发展的柏恩品牌（BHE）诞生于2004年。2008年 8月，由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴定，标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过10000m的超大型管壳式换热器。2009年4月，中国石化组织专家对“大直径螺纹锁紧环高压换热器国产化研制攻关”项目进行了科学技术成果鉴定。该项目是依托中国石化青岛炼油化工有限责任公司千万吨级炼油项目中的 320 万吨/年加氢处理装置开展的，由中国石化工程建 设公司、中国石化青岛炼油化工有限责任公司、兰州兰石机械设备有限责任公 司、 抚顺机械设备制造有限公司联合承担。 该换热器的国产化黄庆军等标志着我国已经具 备设计和制造 DN2000 以下的螺纹锁紧环高压换热器的能力，大大降低了石化工程建 设成本，单台即可节约采购资金 1400 万元，且缩短了交货期，打破了国外公司垄断地位。2009年6月，由甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司研制开发的国产首台 10500m2 高效节能板壳式换热器暨国产首台100 万吨/年PX 装置10910m2板式空气预热器在上海通过出厂验收。该10500m2高效节能板壳式换热器将应用在中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨/年芳烃联合装置，是目前国内单台换热面积最大的国产板壳式换热器，其采用的RZ4板型、T型分布器等多项技术属国际领先，换热器整体已达到国际先进水平。10500m2 高效节能板壳式换热器的研制成功是国产板壳式换热器发展的一个重要里程碑，标志着国产板壳式换热器已跨入国际领先行列，并将结束同类产品依靠进口的历史。国产首台总传热面积达10910m2 板式空气预热器将应用于中国石油乌鲁木齐石化分公司100万吨/年对二甲苯（PX）芳烃联合装置，是国内首套加热炉空气预热器全 部采用全焊接波纹板空气预热器的对二甲苯装置，也是首套排烟温度低100的装置，整体技术达到国际领先水平。这台空气预热器属高效、环保节能型热交换器，其研制成功标志着国产全焊接波纹板空气预热器的研制迈上了一个新台阶。（3）、换热器研究及发展动向 、物性模拟研究 换热器传热与流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性。因此，物性模拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性模拟。两相流的物性基础来源于实验室实际工况的模拟，这恰恰是与实际工况差别的体现。实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现与实际工况的差别。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。为此，要求物性模拟在实验手段上更加先进，测试的准确率更高。从而使换热器计算更精确，材料更节省。物性模拟将代表换热器的经济技术水平。同时在换热器的热流分析中,引入计算机技术,对换热器中介质的复杂流动过程进行定量的模拟仿真。目前基于计算机技术的热流分析已经用于自然对流、剥离流、振动流 和湍流热传导等的直接模拟仿真,以及对辐射传热、多相流和稠液流的机理仿真模拟等方面。在此基础上,在换热器的模型设计和设计开发中,利用 CFD 的分析结果和相对 应的模型实验数据,使用计算机对换热器进行更为精确和细致的设计。 、分析设计的研究 分析设计是近代发展的一门新兴学科，美国 ANSYS 软件技 术一直处于国际领先技术，通过分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这无疑给流路分析法技术带来发展，同时也给常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算中，可模拟出应力的分布图，使常规方法无法得到的计算结果能更方便、快捷、准确地得到，使换热器更加安全可靠。这一技术随着计算机应用的发展，将带来技术水平的飞跃。将会逐步取代强度试验，摆脱实验室繁重的劳动强度。 、大型化及能耗研究 换热器将随装置的大型化而大型化，直径将超过5m，传热面积将达到单位10000m2，紧凑型换热器将越来越受欢迎。板壳式换热器、折流杆换热器、板翅式换热器、板式空冷器将得到发展，振动损失将逐渐克服，高温、高压、安全、可靠的换热器结构将朝着结构简单、制造方便、重量轻发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代，循环将被新型、高效的空冷器所取代。保温绝热技术的发展，热量损失将减少到目前的50以下。 、强化技术研究各种新型、高效换热器逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、添加物强化沸腾传热技术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝 技术、微生物传热技术、磁场动力传热技术将会在新的世纪得到研究和发展。同心管 换热器、高温喷流式换热器、印刷线路板换热器、穿孔板换热器、微尺度换热器、微通道换热器、 流化床换热器、 新能源换热器将在工业领域及其它领域得到研究和应用。 、新材料研究 材料将朝着强度高、制造工艺简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属价格的下降，钛、钽、锆等稀有金属使用量将扩大，CrMo钢材料将实现不预热和后热的方向发展。非金属材料在一定的范围内具有金属材料不可比拟的优点。石墨材料具有优良的导电、导热性能,较高的化学稳定性和良好的机加工性,氟塑料具有特别优良的耐腐蚀性。氟塑料耐腐蚀性能极强,并且与金属材料相比 还具有成本上的优势。复合材料如搪瓷玻璃具有优良的耐腐蚀性能、良好的耐磨性、电绝缘性以及表面光滑不易粘附物料等优点,已经用于制作换热产品。陶瓷材料因其优异的耐腐蚀性、耐高温性能而引起工业界的高度重视,已经在换热产品的制造中得到应用。 、控制结垢及腐蚀的研究 国内污垢数据基本上是20世纪6070年代从国外 照搬而来。四十年来，污垢研究技术发展缓慢。随着节能、增效要求的提高，污垢研究将会受到国家的重视和投入。通过对污垢形成的机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率的提高将带来重大的突破。保证装置低能耗、长周期运行，超声防垢技术将得到大力发展。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是金属防腐镀层技术将得 到发展，电化学防腐技术成为主导。 、 抗振技术研究 由于工业生产规模的日益增大，换热器的的尺寸也越来越大，因流体诱导振动所造成的破坏事故显著增多。目前，已出现多种应用新型壳程支撑结构和其他的抗振方法的新型换热器，它们在工业生产中获得广泛应用，大大延长了换 热器的使用寿命。第二章 工艺简述2.1 换热器的选型 传热设备的类型很多，各种形式的都有它特定的应用范围，某一种场合下性能很好的换热器, 如果换到另一种的场合中，则传热效果和性能都有很大的改变，因此，针对具体情况正确的选者换热器的类型。是很重要的很复杂的工作。选型时，需要考虑的因素是多方面的，主要是：流体的性质，流量及热负荷，操作的温度，压力及允许的压降范围。对清洗，维护的要求。设备的结构材料，尺寸及空间的限制及价格。 2.2 介质流动空间的确定 在换热器中，哪一种流体流经管程，哪一种流体流过壳程，可以考虑以下几点作为选择的一般原则： 不洁净或者容易分解的结垢的物料应当流过容易清洗的一面，对于直管管束， 上述的物料一般应该走管内，但当管束可以拆出清洗时，也可以走管外。 需要提高流动速度用来增大对流传导系数的流体走管内，因为管内截面积通常都比管面的小，而且容易采用多管程以提高流体的速度。 具有腐蚀性的物料走管内，这样可以用普通的材料制造壳体，仅仅管子，管板和封头要采用耐腐蚀性的材料。 压力高的物料走管内，这样外壳可以不用承受高压。 温度高的物料应该走管内用来减少热量的损失。 蒸汽一般通入壳程，因为这样方便排出冷液。而且蒸汽比较清洁，其对于流体传热系数与 流速关系小。粘度大的流体一般在壳程空间流动。当上述个点不能同时满足时，或者互相矛盾时。根据具体的情况，抓住重要的方面作出适宜 的选择。 2.3 介质流动方向的选择 由公式 Q=KAtm 可以看出在热负荷 Q 总传热系数 K 一定的情况下。换热器的换热面积 A 的大小与平均温度之差tm 成反比，即平均温度越大，则所需的传热面积越小，在两流体的进出口温度都确定的情况下选择合适的介质流动方式很重要的。平均温度之差为流体在换热器的两端温度之差的对数平均植，一般流体流动有逆流和并流两 种方式：并流时：tm 并= tm 逆= tm 并A 逆，由比较可以看出,当两流体的进出口都已确定时,逆流的平均温差大于并流的平均温差.所以,单位传热量时,逆流所需的传热面积比并流所需的小。逆流的另一优点是可以节约冷却或加热剂的用量,因为并流时t总是低于T,而逆流时t却可以高于T,所以逆流冷却时,冷却剂的升温(T1-T2)可比并流的大一些,单位时间内传过的热量相同时,冷却剂用量就可以少些。同理,逆流加热时,加热剂本身温降(T1-T2)可比并流时大一些,也就是说,加热剂的用量少些。2.4 管子排列方式的选择 换热管的材料及尺寸可参考有关标准选取,管径小,管内给热系数可以提高,在同样的壳径小, 管径小可安排的传热面积大,使传热器紧,对于洁净的流体,对于单位体积设备的传热面积就 能大些,对于不太洁净,粘度较大或易结垢的流体,管径应大一些便于清洗. 第三章 结构及强度计算3.1原始数据 表 3-1名称设计压力MPa设计温度焊接系数腐蚀余量mm换热面积管程1.73000.852.0110壳程2.04000.852.03.2 U型换热管设计3.2.1 U形换热管基本尺寸根据换热面积 A=110m2 参照 JB/T471492 选择换热器基本参数 表3-2筒体公称直径 mm换热管根数 换热管外径 mm中心排管数管程数 700 156 25 21 2U 型管弯管段的弯曲半径换热管外d =25mm 查 GB 151-1999 最小弯曲半径本设计取离分程隔板最近一排的换热管弯曲半径为50mm，由分程隔板向上每一排布管的弯 曲半径相等，详情参照装配图里面的补管图。 3.2.2换热管的材料、排列方式及厚度 材料采用换热管标准 GB 9948 材料 12CrMo =89MPa 查 GB 151-1999 换热管选用正方形排列，换热管中心距 S=32mm SN 取 50mm 换热管厚度选为2mm 3.2.3布管限定圆 查 GB 151-1999 布管限定圆直径 Dl=Di-2bb=0.25d其中Di圆筒公称直径； d换热管外径；即DI=700-20.2525=687.5mm3.3壳体设计 3.3.1壳程筒体壁厚计算及校核厚度计算：筒体材料为 16MnR(400时，300)查 GB 150-1998 厚度附加量 C=C1+C2=0+2=2mm 由 GB151-1999,U型管式低合金钢圆筒最小厚度不小于4.5mm，取圆筒厚度.（其中：厚度负偏差 C1=0；腐蚀裕度 C2=2mm）圆筒由钢板卷焊而成；焊缝型式：双面焊或相当于双面 焊的全焊透对接焊缝；无损探伤要求：部分无损探伤，=0.85。 （3-1）取C1=0mm C2=2mm故， （3-2） （3-3） （3-4）常用钢板标准规格厚度为：2,3,4，（5）,6,8,10,12,14，16,18,20应力检验： （3-5） （3-6） （3-7）因，所以，满足应力条件。水压试验：耐压试验压力PT=Pc/ （3-8）液压试验，=1.25取试验温度425下许用应力=106MPa壳程设计温度400下=103MPa故，PT=1.25x2x106/103=2.57MPa试验时圆筒的薄膜应力： （3-9） （为屈服强度，） （3-10）因,满足要求。3.3.2管箱圆筒壁厚设计及校核厚度计算：筒体材料为 16MnR圆筒由钢板卷焊而成；焊缝型式：双面焊或相当于双面 焊的全焊透对接焊缝；无损探伤要求：部分无损探伤，=0.85。取C1=0mm C2=2mm故， 应力检验：因，所以，满足应力条件水压试验：耐压试验压力PT=Pc/ 液压试验，=1.25取试验温度350下许用应力=109MPa壳程设计温度300下=116MPa故，PT=1.25x2x109/116=1.175MPa校核试验时圆筒的薄膜应力 因,满足要求。3.4封头设计本设计的封头采用标准椭圆形封头（K=1），因为标准椭圆形封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，故应力分布比较均匀，且椭圆形封头深度较半球形封头小得多，易于冲压成型。封头材料选用16MnR。腐蚀余量、加工负偏差及焊缝系数同圆筒设计。厚度计算： （3-11）水压试验：耐压试验压力PT=Pc/ 液压试验，=1.25取试验温度350下许用应力=109MPa壳程设计温度300下=116MPa故，PT=1.25x2x109/116=1.175MPa 因,满足要求。3.5 管板设计管板是管壳式换热器的一个重要元件，它除了与管子和壳体连接外，还是换热器中的一个主要受压元件。它或者与筒体直接相焊（固定管板式换热器），或者被夹持在两法兰之间，起着管、壳程之间隔板和固定管板换热的双重作用。对管板的设计，除了满足强度要求外，同时应合理的考虑其结构设计。管板与壳程圆筒、管箱圆筒之间可以有不同的连接方式，本 U 型管换热器采用a型，材料选用16MnR。管板被加持在两法兰直接。3.5.1法兰选择长颈对焊法兰与壳体之间为对接焊缝，连接强度很好，且可以采用各种方法进行焊缝质量检查，加之有颈部支撑，使其具有较好的刚性，不易变形而发生泄露，本设计采用此种法兰。参考JB4703-2000采用带颈对焊法兰，凹凸面密封。法兰结构图如下图3-1 法兰结构示意图表3-3 法兰尺寸DNDD1D2D3Hhd1270086081577676612035275016263.5.2管板尺寸确定本设计的管板是夹持在法兰间的，所以管板直径等于D3=766mm。Ad在布管区范围内，因设置隔板槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积。对于正方形部管： （3-12）式中沿隔板槽一侧的部管根数；S换热管中心距离；隔板槽两侧相邻管距离；At管板部管区面积，； （3-13）Dt管板部管区当量直径，； （3-14）垫片压紧力作用中心圆直径，对于活套法兰，即是法兰翻边接触面的平均直径； （3-15）管板不管去当量直径与2R之比，即； （3-16）以查表3-4得Cc=0.2862表3-4Pd管板设计压力，Pd=； （3-17）管板计算厚度：， （3-18）其中为管板削弱系数一般取所以，取管板厚度。3.5.3组合工况下管板的强度校核1）只有壳程设计压力，管程设计压力。a)换热管轴向应力： （3-19）式中，。因为，所以，在改工况下满足要求。b)换热管与管板连接的拉脱力： （3-20）式中换热管与管板胀接长度，强度胀接的最小胀接长度应取管板名义厚度减去3mm和50mm二者的较小值。许用拉脱离按表3-5选择管端不卷边，管孔不开槽时的值为2。表3-5因为，所以，在改工况下满足要求。2）只有管程设计压力，壳程设计压力。a)换热管轴向应力：因为，所以，在改工况下满足要求。b)换热管与管板连接的拉脱力：因为，所以，在改工况下满足要求3）壳程设计压力和管程设计压力同时作用。a)换热管轴向应力：因为，所以，在改工况下满足要求。b)换热管与管板连接的拉脱力：因为，所以，在改工况下满足要求3.6小结通过对U形管式换热器的结构计算，找到了驱动不同设计参数下U形管式换热器的结构尺寸的用户自定义参数，为三维参数化建模奠定了基础。第四章 三维参数化建模4.1参数化设计4.1.1参数化设计的概述参数化设计是Revit Building的一个重要思想，它分为两个部分：参数化图元和参数化修改引擎。Revit Building中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。4.1.2参数化设计在CAD中的应用用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整个产品开发效率的关键。产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验证、性能分析和数控编程之后才能确定。这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。 在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。4.1.3参数化设计的本质及意义在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。 参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。4.1.4参数化设计的历史和现状参数化设计是在变量化设计思想产生以后出现的，要了解参数化设计的历史必须追溯变量化设计的由来。变量化设计一词是美国麻省理工学院Gossard教授提出的，他采用非线性约束方程组的联立求解，设定初值后用牛顿迭代法精化，这种方法的最大优点在于通用性强，约束方程的内容不限，除了几何约束以外还可以引入力学、运动学、动力学等关系，但其存在一个不可逾越的障碍:非线性方程组的行秩有可能不等于列秩，从而导致方程组无解(需要说明的是:在将来这个障碍可能随着数学方法的改进而消失)。这种方法过早地把几何约束映射为代数方程组，使问题求解的规模和速度难以得到有效控制。英国剑桥大学Johnson从1990年起着手研究机械结构的功能建模时同样联立求解一组线性方程组，从多个可行解中寻求最优解。所不同的是，他尝试了遗传算法和模拟退火算法，认为后者的效果更好。 Gossard的倡导在当时CAD界并未引起重视，直到1987年底PARAMETRIC-TECHNOLOGY公司推出了以参数化、变最化、特征设计为基础的新一代实体造型软件PRO/ENGINEER后，CAD界才真正认识到变量化设计的真正威力，纷纷仿效。变量设计成了新的CAD标准。同年，从麻省理工学院毕业的几位博士创办了Premise公司，认真实现Gossard的理论思想，形成了微机和Windows环境下的商品软件，称作DesignView。1989年秋进入市场，随后CV公司吸收了DesignView，成为CV的系列产品。80年代初，针对CAD/CAM集成的需要，人们开始了对特征和特征造型的研究。由于各种特征是从具体应用中抽象、总结出来的，有先天的家族性，所以参数化设计是特征应用的一个重要前提。80年代中后期， PARAMETRICTECHNOLOGY和SDRC等公司都开发出了以特征为对象的特征造型系统(PRO/ENGINEER和I-DEAS)。这些系统都能在一定范围内实现对特征的参数设计。 SDRC公司在1991年，其I-DEAS第六版的DRAFT模块中提出了一项新的交互作用技术：“动态导航技术”，该技术利用从工程制图标准抽象出来的规则预测下一步操作的可能，大大方便了操作。动态导航技术和参数化技术目前己成为大多数CAD系统的主要功能和目标。在现有的三维CAD系统中，他们大致是这样实现的:利用动态导航技术或其它草图技术迅速生成用以构造三维特征的二维轮廓(PROFILE)，这个轮廓准确的位置和尺寸都不必在草图输入时给出，而可以在以后的参数设计过程中得到。再利用系统的拉深或回转等其它手段来生成三维特征。有了这个基础，再加上一棵记录造型过程的CSG树，就可完成对最后模型的“参数”设计。但值得强调的是，这里的参数并不是最后模型的设计参数，而是完成造型过程的造型参数。 正是由于三维参数化特征造型系统的设计参数和造型参数有很大的不同，虽然很多系统都声称是全双向可逆(FULLYBIDIRECTION)的，但实际上它们通过投影直接生成的二维图距离最终的工程图纸要求还差得很远。特别是尺寸标注，它可以通过投影控制特征参数在二维图形上的投影，但却无法对最终工程图的尺寸进行真正的参数设计。在三维CAD系统中，动态导航仅被用来生成二维轮廓。这里论述的参数设计也主要是针对这个二维轮廓进行的。由于这个二维轮廓只是用来生成三维特征，它远比我们在二维CAD系统中要处理的工程图简单得多。 显然，要实现对二维工祝图的参数化设计/绘图工作从一定意义上讲比在三维环境下更为困难。近年来，许多CAD工作者围绕如何将概念设计和参数设计引进传统的二维CAD系统进行了大量的研究。4.1.5常用的参数化设计软件目前常用的参数化设计CAD软件中，主流的应用软件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks四大软件，四大软件各有特点并在不同的领域分别占据一定的市场份额。Pro/Engineer是参数化设计的鼻祖，参数化设计的实现最先就是由Pro/Engineer实现，而Pro/Engineer也因为参数化的特点在横空出世后迅速抢占了传统CAD软件巨头UG和CATIA的部分市场份额，目前主要应用于消费电子、小家电和日用品、发动机设计等行业；UG和CATIA两个传统的软件巨头也不甘落后，紧随Pro/Engineer之后加入了参数化设计的功能，目前在传统的制造行业比如汽车、航空航天等行业上两个软件占据绝对的市场份额。4.2主要零件参数化建模本设计使用Pro/E软件进行参数化建模。由于U形管式换热器属于单件小批量生产，所以分别对其每个零件进行参数化设计更具有现实意义，在U形管换热器零件中分为标准件和非标准件。在本设计中对非标准件如：壳体、封头、管板等进行由关系驱动的参数化建模，对标准件如：螺栓、法兰等建立族表进行参数化建模。4.2.1关系驱动参数化建模4.2.1.1壳体的参数化建模S1：启动Pro/E。S2：设置工作目录，新建文件夹“exchange”将所有零件保存在改文件夹里，便于文件的管理和之后的装配工作。S3：进入零件模块，选择“子类型”为“实体”，零件名称为“shell”。如图4-1：图4-1新建对话框S4：设置零件，所有零件的单位统一设置成“mmNs”的单位制。如图4-2：图4-2单位设置S5：点击“草绘”，选择Top面为草绘平面，在其中绘制壳体截面（同心圆）。图4-3草绘面选择示意图4-4壳体截面S6：选择【拉伸】特征工具，输入拉伸高度值为8000，点击“确定”。图4-5拉伸特征操作S7：定义参数如表4-1。表4-1自定义参数PC壳程公称压力；DI壳体公称直径；壳体材料在设计温度下的许用应力；焊接系数；CC1材料加工负偏差；CC2腐蚀余量；H壳体长度；S8：将用户自定义的参数名通过关系赋予系统对壳体定义的参数名。关系式如下所示：D6=DID5=(PC*DI)/(2*-PC)D5=CC1+CC2IF D56 /*常用钢板厚度小于6mm时，钢板厚度以1mm递增 D5=floor(D5)+1 大于6mm时，常用钢板厚度以2mm递增ELSE D5=floor(D5)+2ENDIFD7=HS9：点击基准显示栏的“再生”图标，生成如图4-6所示壳体。图4-6壳体模型4.2.1.2封头建模S1、S2同壳体建模相同。S3：进入零件模块，选择“子类型”为“实体”，零件名称为“head”。S4：使用【旋转】特征Top平面作为绘图平面，绘制二维截面图，注意旋转截面必须是封闭图形，如图4-7。图4-7封头旋转截面S5：点击“