U形管换热器常规设计及三维参数化建模删减版.docx
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U形管换热器常规设计及三维参数化建模删减版
四川理工学院毕业设计（论文）
U形管换热器常规设计及三维参数化建模
学生：
学号：
专业：
过程装备与控制工程
班级：
2009
指导老师：
石
四川理工学院机械工程学院
二O一三年三月
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
U形管式换热器常规设计及三维参数化建模
院：
机械工程专业：
过程装备与控制工程班级：
级班学号：
学生：
指导教师：
石
接受任务时间
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）根据GB150/GB151的相关规定，对U形管换热器进行结构设计，并确定合理的模型驱动参数，建立合理的参数化数学模型，以确定在不同设计压力下的换热器结构
2）在Pro/ENGINEER平台建立基于特征的U形管换热器主要零部件模型库，并完成换热器的虚拟装配
3）选择合适的二次开发工具，建立换热器主要零部件的参数化模型
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1-2张。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
GB150《钢制压力容器》及GB151《钢制管壳式换热器》、《换热器》
《换热器设计手册》、《CAD\CAM技术》、《Pro/ENGINEERNGINEERNGINEERNGINEER三维产品》建模、
《Pro/ENGINEER企业实施与应用》
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
2013.03.01-2013.03.25
2
完成上机实验的准备工作
2013.03.26-2013.04.20
3
完成实验数据的采集和处理工作。
2013.04.21-2013.05.15
4
完成设计论文的撰写。
2013.05.16-2013.05.30
5
完成设计论文修改，答辩的准备.
2013.05.30-2013.06.07
摘要
换热设备用于实现热量传递，介质经过热交换能达到一定温度以满足工艺的要求，是化工、石油、动力、食品等许多工业部门的通用设备。
设计是依据GB150和GB151的相关规定，对U形管换热器进行结构设计和强度计算，并确定合理的模型参数，建立三维参数化数字模型。
可以通过改变工艺参数和材料自动在实例模型的数据库中再生新模型，不需要重复的相同建模过程；对于标准件，在Pro/ENGINEER平台建立了基于特征的过程设备数据库；完成U形管换热器的虚拟装配。
关键词：
U形管换热器；Pro/ENGINEER；参数化零件；虚拟装配
ABSTRACT
Heatexchangerforheattransfer,theheatexchangemediumcanreachacertaintemperaturetomeetthetechnologicalrequirements,iscommonequipmentinmanyindustrialsectorschemical,petroleum,power,foodandsoon.
ThedesignisbasedontherelevantprovisionsofGB150andGB151,ontheUshapestructuredesignandstrengthcalculationfortubeheatexchanger,andtodeterminethereasonablemodelparameters,a3-Dparameterizeddigitalmodel.Bychangingtheprocessparametersandmaterialautomaticregenerationofnewmodelsinthemodeldatabase,doesnotrequirethesamemodelingprocessisrepeated,forstandardparts,builtontheplatformofPro/ENGINEERdatabasebasedonthecharacteristicsoftheprocessequipment,completethevirtualassemblyofUshapetubeheatexchanger.
Keywords:
U-typeheatexchanger,Pro/ENGINEER,Parametricparts,Virtualassembly
第1章绪论
1.1换热器的发展历史
二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。
30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。
30年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。
在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层（称为边界层），和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层，金属壁的热阻相对较小。
增加流体的流速和扰动性，可减薄边界层，降低热阻提高给热系数。
但增加流体流速会使能量消耗增加，故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。
为了降低污垢的热阻，可设法延缓污垢的形成，并定期清洗传热面。
一般换热器都用金属材料制成，其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器；不锈钢除主要用于不同的耐腐蚀条件外，奥氏体不锈钢还可作为耐高、低温的材料；铜、铝及其合金多用于制造低温换热器；镍合金则用于高温条件下；非金属材料除制作垫片零件外，有些已开始用于制作非金属材料的耐蚀换热器，如石墨换热器、氟塑料换热器和玻璃换热器等。
而且它的适用场合广、检修简单、操作弹性好。
如果换热器的换热面积小、壳程与管程的温差较大或壳程介质很容易脏、管束表面需要经常清理地，一般都采用U型管式换热器。
1.2.2U形管式换热器结构设计
U型管式换热器，单台换热器共有两块管板，如下图1-1所示：
图1-1U形管换热器
这种换热器有一半管束管内外介质的流动方向为并流，另一半管束管内外介质的流动方向为逆流。
U型管式换热器的双管板之间一般采用聚液壳彼此连接。
聚液壳可以用来调整管板间距且保证两管板相互平行。
同时，聚液壳用来封闭相邻两管板之间泄漏出的气（液）体，防止有毒气（液）体的外溢。
聚液壳最高和最低处需分别设置放空口和放净口，用于及时导出渗漏气（液）体。
如果壳程与管程之间温差很大，为了降低壳程与管程管板与换热管连接处的应力
结构设计的一般顺序为：
1.管箱设计，选择管箱短节、分程隔板的材料尺寸及管箱深度。
2.圆筒设计，选择合适的材料，计算结构尺寸。
3.封头设计，选择封头形式，分别计算所受内压和外压。
4.管板设计，确定连接形式，计算最小厚度。
5.拉杆和定管距，确定发、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、工程图的生成、机构仿真等功能为一体。
其系列的产品广泛应用于机械、电子、模具、轻工、工业设计、产品设计、汽车和航空等行业。
1.3.1主要特性
1.3.1.1全相关性
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发过程中某一处进行修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图，以及制造数据。
全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
1.3.1.2基于特征的参数化造型
Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。
这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。
例如，设计特征有弧、圆角、倒角等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征。
通过给这些特征设置参数，然后修改参数很容易地进行多次设计叠代，实现产品开发。
1.3.1.3数据管理
加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。
为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
在Pro/ENGINEER中，要将某个设计从构思变成所需要的产品时，通常要经过3个基本的Pro/ENGINEER设计环节，即零件设计环节、组件设计环节和绘图设计环节。
而每个基本的设计环节都视为独立的Pro/ENGINEER模式，它们拥有各自的特性、文件扩展名和其他模式之间的关系。
1.3.2.1零件设计模式
零件设计模式的文件扩展名位.prt。
在零件模式设计下可以创建和编辑拉伸、旋转、扫描、混合、倒圆角和倒角特征，这些特征便构成了零件的模型。
1.3.2.2组件模式设计
组件设计模式的扩展名位.asm。
零件创建好之后，可以使组件设计模块创建一个空的文件夹，并在该组件文件中装配各个零件，以及为零件分配其在成品中的位置。
同时为了更好的检查或显示零件关系，可以在组件中定义分解视图。
在组件设计模式下，还可以很方便的规划组件框架等。
1.4参数化设计简介
参数化设计是通过改动图形的某一部分或几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。
参数驱动的方式便于用
计算厚度：
（2-6）
名义厚度：
（2-7）
名义厚度：
（2-8）
最小厚度为[4]：
（2-9）
壳体的名义厚度：
（2-10）
2.3管箱筒体计算
2.3.1设计条件
假设的设计条件如下：
计算压力：
设计温度：
t=70℃
内径：
材料：
16MnR
设计温度许用应力
钢板负偏差
焊接接头系数
2.3.2强度计算
计算厚度：
（2-11）
名义厚度：
（2-12）
名义厚度：
图3-6接管
5、为了方便镜像另一接管，先创建基准平面DTM4，其关系如下所示，然后单击“编辑”-“特征操作”-“复制”-“镜像”-“选取”-“独立”-“完成”，选取接管及孔特征，选取DMT4作为镜像平面，完成镜像COPIED_GROUP_0。
同理选取FRONT平面，在把COPIED_GROUP_0镜像到另一侧去，完成镜像COPIED_GROUP_1。
最后在删除COPIED_GROUP_0，完成接管的绘制。
如下图3-7所示：
镜像平面参数关系为：
D15=l/2/*壳体长度的一半
另一接管参数关系为：
D23=DN1/*另一接管的公称直径
D24=B1/*另一接管的厚度
图3-7另一接管
3.1.4鞍座安装位置的确定
1、根据鞍座所在平面，创建2个基准平面DTM6、DTM7，并建立关系，如下图3-8所示：
图3-8鞍座位置的确定
2、添加参数关系：
d27=lb/*鞍座到一端的距离
d28=la/*鞍座间距
3.1.5排气管的绘制
排气管的绘制同接管的绘制方法一样，创建DTM8、DTM9，以确定排气管的伸出长度和安
图3-14封头
2、单击“工具”-“关系”，在弹出的方框中输入图3-15所示数据，完成封头的参数化。
图3-15封头的参数关系
3.2.3封头零件图
封头的零件图形如图3-16所示：
图3-16封头
3.3管箱设计
3.3.1设计参数
1、管箱设计中的主要参数有：
DN—管箱的公称直径
S—管箱的厚度
LG—管箱的长度
L4—封头高度
H1—封头曲面高度
H2—封头直边高度
L3—接管
图3-26分层隔板端部的草绘
图3-27分层隔板端部
5、单击“确定”，完成分层隔板端部一侧的绘制，再单击“镜像”，选择上述拉伸特征“拉伸4”，并选择“FRONT”平面作为镜像平面，完成分层隔板端部另一侧的绘制，如图3-27所示：
3.3.5管箱接管的焊接
1、管箱接管的绘制方法同3.1.6壳体接管的绘制方法一模一样，在此就不做详细的阐述了，管箱接管的焊接图如3-28所示：
3、单击“确定”，完成换热管的绘制，如图3-33所示：
图3-33换热管
4、单击“平面”命令，创建基准面DTM1，单击“轴”命令，创建换热管的中心轴A_1，选中A_1，单击“镜像”命令，选择“TOP”平面作为镜像平面，完成另一根换热管中心轴的创建。
5、单击“工具”-“关系”，为换热管添加参数关系：
D1=L/*换热管长度
D0=R/*换热管弯曲处半径
D4=B/*换热管厚度
D5=D/*换热管外径
D6=R/*换热管中心线位置
6、由于U形管换热器中，换热管弯管处的半径不一样，所以需要考虑各自不同半径的U形换热管，为此我采用“族表”来达到要求。
单击“工具”-“族表”，最终完成图3-34所示的情况：
3、单击“平面”命令，分别创建拉杆孔1和拉杆孔2在X轴方向上所在面DTM16和DTM17，方便拉杆孔螺纹的绘制。
4、单击“插入”-“螺旋扫描”-“切口”-“常数”-“穿过抽”-“右手定则”-“完成”选择DTM16作为草绘平面，绘制图3-43所示轮廓：
图3-43拉杆孔螺纹轮廓
5、单击“确定”，进入拉杆孔截面的绘制，绘制图3-44所示截面图形：
图3-44拉杆孔螺纹截面
6、同理完成拉杆孔2螺纹的绘制。
7、为拉杆孔添加参数关系：
D585=x1/*定居管1x轴所在面
D594=x2/*定居管2x轴方向所在面
D586=ln-2/*定居管孔1螺纹深度
D595=ln-1/*定居管孔2螺纹深度
ln=1.5*bn/*定距管孔深度
D192=x1
7、折流板缺边半面上换热管孔的绘制方法同3.5.4管板换热管孔的绘制方法基本差不多，只是绘制的截面图形不同，折流板上绘制的图形如图3-50所示：
图3-50折流板缺边面换热管孔填充阵列图形
8、为折流板缺边面换热管看添加关系：
d46=b/*换热管外径
d54=dl-20/*缺边面上填充布管实际排列情况
d50=s/*换热管中心距
3.6.3折流板零件图
折流板的零件图形如图3-51所示：
图3-51折流板
3.7法兰设计
本次设计的法兰主要有两种，一种是：
容器法兰；另一种是：
接管法兰。
下面来做详细的设计说明。
3.7.1容器法兰设计参数
1、容器法兰设计中的主要参数有：
DN—法兰公称直径
B3—管板外径
B1—螺栓孔间距
1、单击“拉伸”，选择“DTM2”作为草绘平面，进入草绘，绘制如图3-64所示图形：
图3-65鞍座底板的草绘图
2、单击“确定”，完成鞍座底板的绘制，完成后的图形如3-66所示：
图3-66鞍座的底板
3、为底板添加关系：
d22=b1/*底板宽度
d19=h1/*底板厚度
d23=l1/*底板长度
3.8.5筋板的绘制
1、单击“平面”命令，创建DTM4，来确定筋板的位置。
1、螺栓孔鞍座的创建方法和本鞍座的创建方法一样，在此就不做详细的说明了。
两种鞍座零件图形如图3-73所示：
3.9拉杆和定距管设计
3.9.1拉杆的设计参数
1、拉杆的主要设计参数有：
L—拉杆的长度
DN—拉杆的直接
LA—拉杆一端螺纹长度
LB—拉杆另一端螺纹长度
2、拉杆的详细参数及参数值如图3-73所示：
图3-73拉杆参数及参数值
3.9.2拉杆的绘制
1、单击“拉伸”命令，选择FRONT平面做为草绘平面，进入草绘，绘制如3-74所示图形：
d6=b/*定距管厚度
3.10补强圈和垫片设计
3.10.1补强圈的设计参数
1、补强圈的主要设计参数有：
BO—接管外径
B1—补强圈外径
S—补强圈厚度
DN—壳体公称直径
B—壳体厚度
2、补强圈的详细设计参数及参数值如图3-82所示：
d1=md/*螺栓杆公称直径
d2=l/*螺栓杆长
d6=k/*螺帽厚度
d17=b/*螺纹长度
3.11.6螺母的设计参数
1、螺母的主要设计参数有：
M—螺母的厚度
P—螺距
DM—螺栓的公称直径
2、螺母详细的设计参数及参数值如图3-104所示：
图3-104螺母的参数及参数值
3.11.7螺母的绘制
1、单击“拉伸”命令，选择FRONT面作为草绘平面，进入草绘，绘制如图3-105所示图形：
图3-105螺母的草绘图
2、输入相应的“拉伸深度值”，单击确定，完成草绘，完成后的图形如图3-106所示：
图3-106螺母
3、为螺母倒角，倒角的方法同3.11.5螺帽的倒角方法一样，在此就不做详细的说明了，完成倒角后的图形如图3-107所示：
图3-107螺母的倒角
4、单击“孔”命令，为螺母创建螺栓孔，完成后的图形如图3-108所示：
图3-108螺栓孔
5、单击“边倒角”命令，为螺栓孔倒角，完成后的图形如图3-109所示：
图3-109螺栓孔的倒角
6、螺母螺纹的创建方法同螺栓3.11.4螺纹的绘制方法一样，在此就不做详细的阐述了，
图4-11管箱上容器法兰的组装
4.2.2管箱上接管法兰的组装
1、管箱上接管法兰的组装同4.1.1壳体上接管法兰的组装方法一样，在此就不做详细的说明了，管箱上接管法兰的组装完成后的图形如图4-12所示;
图4-12管箱上接管法兰的组装
4.2.3管箱上的焊接
1、管箱上的焊接方法同4.1.6壳体上的焊接方法如出一辙，所以同理管箱上接管和法兰的焊接图如图4-13所示：
图4-13管箱上接管和法兰的焊接
2、同理完成管箱上其他部分的焊接
4.2.4管箱的组装图
管箱的最终组装图如图4-14所示：
图4-19拉杆的装配
2、单击“装配”命令，选择先前创建好的定距管零件“pipe-spacer”,选择合适的“约束类型”，把管板零件“tube-plate”和定距管零件“pipe-spacer”装配在一起，完成后的图形如图4-20所示：
图4-20定居管的装配
3、单击“装配”命令，选择先前创建好的拉杆螺母“pull-rob-nut”,选择合适的“约束类型”，把折流板零件“baffle”和拉杆螺母“pull-rob-nut”装配在一起，完成后的图形如图4-21所示：
图4-21拉杆螺母的装配
4、同理完成其他拉杆和定距管的装配
4.4U形管换热器的装配
U形管换热器的组装零件有：
管箱组件、管板组件、壳体组件、封头零件，需要在组件模式下把这些零件或组件组装在一起，则先创建组件名“u-type-heat-exchanger”的组件。
4.4.1管箱组件和管板组件的组装
1、在组件模式下单击“装配”命令，选择先前创建好的管箱组件“ASM-BOX”，把“ASM-BOX”组件放置在合适的装配位置上。
2、单击“装配”命令，选择先前创建好的管板组件“ASM-TUBE-SHEET”，再单击“放置”，选择合适的“约束类型”，把管箱组件“ASM-BOX”和管板组件“ASM-TUBE-SHEET”装配在一起，完成后的图形如图4-22所示：
图4-22管箱组件和管板组件的组装
4.4.2管板组件和壳体组件的组装
单击“装配”命令，选择先前创建好的壳体组件“ASM-SHELL”，再单击“放置”，选择
图5-5优化后的补强圈
5、拉杆的设计
其实拉杆的设计方法很简单，但是当我把拉杆绘制出来之后，应用参数关系改变拉杆的长度（该为长5700mm）时，则Pro/ENGINEERNGINEER就提示我拉杆的两个螺旋扫描特征再生失败。
于是我就再试了另一种方法，即先创建长为5700mm的杆件，然后在对杆件进行螺纹的绘制，但是无论我用何种轨迹和截面，始终生成不了螺纹。
于是我把遇到的问题向老师求解，但是老师也不知道原因。
于是我得出结论：
在Pro/ENGINEERNGINEER中如果攻螺纹的杆件过长那么螺纹的绘制将失败。
我分析可能有两个原因：
（1）Pro/ENGINEER本身就存在这样的问题
（2）可能是软件在破解的过程中没有完全破解，导致部分功能无法使用。
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