板式换热器是广泛应用在石油化工、核电和船舶等领域的重要能源设备。随着工业技术和应用领域的不断发展,板式换热器逐渐向高温、高压的极端工况和大型板片的方向发展,板片的承载能力要求也越来越高。但板式换热器相关标准中尚未明确对板片结构强度的设计要求,为全面提升板式换热器的综合性能,本文采用实验和数值模拟计算方法,开展波纹板片结构承载特性与换热性能研究。本文通过波纹板片材料与结构的拉伸实验和波纹板片承载特性实验,结合数值模拟计算,研究了板片结构参数对其结构承载特性的影响规律。结果表明,波纹板片的承载能力与展开系数和板片厚度成正相关,与波纹倾角和波高成负相关,梯形波纹板片的结构承载能力最佳。合理的结构优化可以在15%～60%范围内提升板片的结构强度,并且将抗变形能力提升1.4～4.7倍。开展了梯形波纹板式换热器换热性能实验。结果表明,在本文研究的条件下,与固定热流体流速仅增加冷流体流速相比,同时增加冷热流体流速可以将换热效率提升16.35%。基于实验结果,采用等流速法推导出换热特性准则方程和阻力特性准则方程。为研究截面特征对波纹板片换热性能的影响,进行了单通道换热性能数值模拟研究,结果表明梯形波纹板片的换热性能最佳。综合考虑承载特性与换热性能,对波纹板片进行了结构参数优化,在工程设计中建议采用展开系数1.45,波纹倾角120°,波高3mm的梯形波纹板片,板片厚度需要根据设计压力进行合理计算。通过流固耦合数值计算,研究了流体流动、热变形和流热固多场耦合对波纹板片承载能力的影响。以屈服极限作为评价准则,建立了设计压力与最小板片厚度的关联式,考虑到板片结构参数与实际运行状态的影响,采用了结构修正系数和运行修正系数,并给出各项修正系数的计算方法和取值范围。本文的研究结果可为板式换热器标准的修订与波纹板片的工程设计提供参考。