换热器是一种将热流体的多余热能转换给冷流体的装置,并且在工业、化学、能源、船舶等很多领域中占有重要地位,其中管壳式换热器的应用范围尤为广泛,其换热管和管板的连接方式对于确保换热器有效运行至关重要。目前,换热管和管板的常用连接方式有焊接、胀接和胀焊结合等方式,其中胀接又包括机械胀接、液压胀接以及爆炸胀接等,液压胀接过程中对换热管及管板没有机械损伤,施载压力大小和胀接长度能自由调节,且易操作易控制等优点得到广泛的应用。虽然对液压胀接已取得丰硕的研究成果,但由于换热管和管板胀接的影响因素较多,目前仍没有完美合理的方法来选择合适的胀接工艺参数以获得最佳的胀接质量。论文的主要研究内容包含以下几个方面:(1)根据ASME标准拟合换热管和管板材料的真实应力-应变曲线,建立换热管-管板胀接的有限元模拟模型,设计液压胀接试验,对单根管进行胀接试验验证有限元模拟模型和研究方法的正确性,为胀接工艺参数对胀接质量的研究提供依据。(2)采用有限元数值模拟方法进行初始间隙与胀接压力的联合求解分析,研究胀接后换热管的残余等效应力和残余接触应力,并根据理论公式计算出胀接后换热管和管板之间的抗拉脱力,探明换热管和管板的初始间隙与胀接压力对胀接质量的影响规律。进行液压胀接试验及拉脱试验,并与理论分析结果进行对比,验证抗拉脱力理论计算的正确性。(3)采用有限元数值模拟方法研究胀接顺序对换热管与管板胀接质量的影响,分析保压阶段及完全卸载以后换热管和管板的残余等效应力、残余接触应力大小以及分布规律,探明相邻换热管之间胀接顺序不同对连接紧密性和抗拉脱强度的影响规律。(4)建立换热管-管板的双筒简化模拟模型,研究表面粗糙度对胀接质量的影响。采用改变摩擦因数的方法模拟表面粗糙度的变化,探明管板孔内壁和换热管外壁的接触摩擦因数对于胀接后残余接触应力的影响比较小,针对Ti31合金材料,换热管-管板孔接触摩擦因数为0.07时胀接质量较好。研究工作为工程中换热管与管板之间胀接压力、初始间隙、胀接顺序、表面粗糙度的选择以及胀后残余应力水平的预测提供了理论依据,并为换热器选择最佳的胀接工艺参数提供参考。