换热器发生失效的部位主要是换热管与管板连接处，它给化工生产带来了巨大的经济损失。换热管与管板连接方式主要有胀接、焊接、胀焊并用。胀接又分为机械胀接、爆炸胀接和液压胀接。其中液压胀接因其诸多优点而得到广泛应用，国内外学者也针对液压胀管技术从实验气解析法分析、有限元分析等方面进行了研究，均取得很多成果，极大地指导了生产实践，但仍然存在着很多需要解决的技术问题，如定量描述液压胀接过程中接触和材料非线性效应，周围管板孔的变形影响等。为此，本文应用大型有限元分析软件ANSYS，以E3201换热器管板内开槽的液压胀接接头为研究对象，建立三维非线性有限元模型，通过应力分析计算来描述液压胀接过程中的接触和材料非线性效应。
液压胀接接头的非线性有限元模型E3201换热器是大庆石化公司某装置中的脱气培顶水冷器，结构为U形管式换热器，换热管为正三角形排列，换热管与管板的连接接头为带有开槽的对称性和胀接工艺过程，选取30C的换热管和周围管板半孔为研究对象，建立的非线性有限元模型。该模型由8节点三维实体单元SOLID45、接触单元CONTA173和TARG170单元组成。换热管材质为16Mn冷拔管，最大抗拉强度为670MPa、屈服应力为320MPa；管板材质为16Mnlll，最大抗拉强度为600MPa、屈服应力为275MPa.这两种材料均为低合金钢，具有应变硬化性质，材料塑性服从Mses屈服准则，其应力-应变曲线见。
换热管材料应力应变曲线施加的液压胀接压力变化范围为110~ MPa，为了得到换热管与管板的接触应力和残余接触应力分布情况，将载荷分为两个阶段第一阶段为胀接压力由零增加至规定的压力，即胀接压力加载段；第二阶段为胀接压力由规定值减少至零，即胀接压力卸载段。考虑到接触和材料非线性的计算收敛速度和计算精度，采取了一系列技术措施，如在每个载荷步中增加若干子载荷步，使用芫全的Newton-Raphson迭代，线性搜索等求解技术。
综上所述，本文建立的非线性有限元模型充分考虑了周围管板孔对胀管的影响、换热管和管板材料的非线性应变硬化性质、换热管两端伸出管板孔的端部效应。该模型一方面使换热管液压胀接接头的受力变形分析转化为接触和材料双重非线性问题，具有一定的分析和计算难度；另一方面，使换热管与管板的接触应力和残余接触应力分布描述更加合理，为该换热器的胀接接头结构设计和加工提供了可靠的理论依据。
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