鍋爐鍋筒的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　鍋爐鍋筒的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)分析</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： </p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 </p><p><b>　　年 月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　鍋筒是鍋爐中非常重要的受壓元件，鍋爐系統(tǒng)中的熙然循環(huán)回路的主要組成部分是鍋筒、上升管和下降管，它在系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)接收來(lái)自省煤器的供水，并向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽，鍋筒是加熱、蒸發(fā)和過(guò)熱三個(gè)過(guò)程的連接點(diǎn)

3、。鍋筒運(yùn)轉(zhuǎn)工況非常繁雜，不單要承受來(lái)自?xún)?nèi)部較高的壓力，還必須承受系統(tǒng)冷、熱態(tài)啟停及變負(fù)荷時(shí)的循環(huán)機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，這些交變應(yīng)力很容易導(dǎo)致疲勞破壞。所以，對(duì)鍋筒進(jìn)行溫度分析和熱應(yīng)力分析，得出鍋筒在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度和熱應(yīng)力分布規(guī)律，可為增壓鍋爐的安全運(yùn)行提供一定的理論支撐。</p><p>　　運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立給定鍋爐鍋筒的三維模型，并將給定數(shù)據(jù)帶入，對(duì)鍋筒內(nèi)熱應(yīng)力分布和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行三維有限元數(shù)值模

4、擬分析。按相應(yīng)的邊界條件施加合適的約束，使鍋爐鍋筒始終在正常范圍內(nèi)工作。用ANSYS軟件分析并確定鍋筒正常工作時(shí)其內(nèi)部的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分布規(guī)律，并根據(jù)分析結(jié)果和給定材料特性對(duì)鍋爐鍋筒進(jìn)行相關(guān)的強(qiáng)度評(píng)定，最終為鍋筒的安全評(píng)判提供參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鍋爐；鍋筒；有限元；溫度場(chǎng)；熱應(yīng)力；強(qiáng)度評(píng)定</p><p><b>　　Abstract</b></

5、p><p>　　The drum is the most important pressurized component of boiler,and it connects with the riser tubes and downcomers of the natural circulation loop,at the same time drum gets the feed water from economiz

6、er and provides saturated steam for superheater.It is the junction of heating,evaporation and overheating.Drum running conditions are very complicated because it not only bear a high internal pressure but also endure cyc

7、lic mechanical stress and thermal stress induced easily fatigue wreck during c</p><p>　　The finite element analysis software ANSYS is used to establish the </p><p>　　three-dimensional model of t

8、he boiler drum, and the given data is brought into the three-dimensional finite element numerical simulation analysis of thermal stress and temperature field in the pot. According to the appropriate boundary conditions t

9、o impose appropriate constraints, Make the boiler barrel always work in the normal range. Using ANSYS software to analyze and determine the temperature field and thermal stress distribution of the cylinder during the nor

10、mal operation,According to the a</p><p>　　Keywords:Boiler;Drum;Inite element;Temperature field;Thermal stress; Strength evaluation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1

11、 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 概述1</b></p><p>　　1.2 鍋爐鍋筒溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 鍋爐鍋筒溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 鍋爐鍋筒熱應(yīng)力研究現(xiàn)狀3</p><p&

12、gt;　　1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　2 相關(guān)理論基礎(chǔ)5</p><p>　　2.1 有限元法介紹5</p><p>　　2.1.1 ANSYS分析的基本過(guò)程6</p><p>　　2.2 強(qiáng)度理論7</p><p>　　2.3 應(yīng)力分析的力學(xué)理論10</p>&

13、lt;p>　　2.3.1 彈性力學(xué)基本方程11</p><p>　　2.3.2 熱彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)12</p><p>　　2.4 熱應(yīng)力介紹14</p><p>　　2.5 本章小結(jié)16</p><p>　　3 鍋爐鍋筒的力學(xué)分析17</p><p>　　3.1 內(nèi)壓作用下鍋筒圓筒的應(yīng)力狀態(tài)1

14、7</p><p>　　3.2 鍋筒圓筒熱應(yīng)力17</p><p>　　3.3 本章小結(jié)18</p><p>　　4 鍋爐鍋筒壁溫、熱應(yīng)力 ANSYS 數(shù)值模擬分析19</p><p>　　4.1 鍋爐鍋筒幾何實(shí)體模型建立19</p><p>　　4.1.1 鍋筒材料屬性20</p><

15、p>　　4.1.2 鍋筒三維模型建立21</p><p>　　4.2 網(wǎng)格劃分22</p><p>　　4.2.1 單元類(lèi)型的選取22</p><p>　　4.2.2 鍋筒模型的網(wǎng)格劃分23</p><p>　　4.3 邊界條件確定及加載24</p><p>　　4.4 結(jié)果分析24</p

16、><p>　　4.4.1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果分析24</p><p>　　4.4.2 穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析26</p><p>　　4.4 本章小結(jié)28</p><p><b>　　結(jié) 論29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p>&

17、lt;p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　在我國(guó)船舶的主要驅(qū)動(dòng)力是蒸汽動(dòng)力裝置，該裝置的特點(diǎn)主要有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、研制的周期比較短以及較長(zhǎng)的使用壽命。在艦船的

18、蒸汽動(dòng)力裝置中，鍋爐作為提供動(dòng)力的裝置，為艦船提供運(yùn)動(dòng)、發(fā)電以及生活等所需要的蒸汽。因?yàn)樵鰤哄仩t的一系列有點(diǎn)，比如：可靠性比較高、重量較輕、尺寸又不大，而且爐膛熱負(fù)荷比較高、機(jī)動(dòng)性能優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)性良好，所以在我國(guó)的船舶中一般使用蒸汽動(dòng)力裝置作為動(dòng)力源。</p><p>　　到目前為止，我國(guó)在船用增壓鍋爐方面的鉆研還有一定的局限。這幾年來(lái)，隨著我國(guó)海軍以及海軍的相干裝備的進(jìn)步，船用增壓鍋爐的研制受到相關(guān)領(lǐng)域的普遍關(guān)注

19、，有關(guān)研究部門(mén)展開(kāi)了對(duì)船用增壓鍋爐的基礎(chǔ)理論研究工作。與此同時(shí)，國(guó)外的艦船蒸汽動(dòng)力裝置也一直在發(fā)展中，由于新型船用增壓鍋爐的接連涌現(xiàn)，使得相應(yīng)的技術(shù)水平也日益提高。增壓鍋爐和常壓鍋爐相比，它的機(jī)能更顯優(yōu)越，主要體現(xiàn)在如下四個(gè)方面： 1．增壓鍋爐的體積小、重量輕； 2．增壓鍋爐動(dòng)力裝置經(jīng)濟(jì)性高； </p><p>　　3．增壓鍋爐動(dòng)力裝置機(jī)動(dòng)性能好； 4．增壓鍋爐動(dòng)力裝置中的增壓鍋爐重量

20、尺寸較小，可靠性與可維護(hù)性強(qiáng)，能顯著提高船舶的生命力[1]。</p><p>　　鍋筒屬于高溫高壓容器，在增壓鍋爐中占有很重要的地位，在增壓鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，工況的變動(dòng)會(huì)在一定程度上導(dǎo)致鍋筒承受循環(huán)應(yīng)力載荷。而頻繁的應(yīng)力波動(dòng)則會(huì)導(dǎo)致金屬產(chǎn)生裂紋，并使得鍋筒最終破裂。增壓的鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，鍋筒內(nèi)充滿(mǎn)著高溫高壓的飽和水和飽和蒸汽，如若鍋筒破裂產(chǎn)生爆炸，不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，更會(huì)造成慘重的人員傷亡。另外，由于鍋爐體積

21、龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦鍋筒損傷將很難進(jìn)行維修和更換，鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也將受到影響。于是，創(chuàng)建溫度及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算方法，計(jì)算分析鍋筒溫度及應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋筒的溫度及壓力等相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于鍋爐鍋筒的溫度及應(yīng)力的計(jì)算監(jiān)測(cè)，這對(duì)于鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著很重大的意義[2]。</p><p>　　1.2 鍋爐鍋筒溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 鍋爐鍋

22、筒溫度場(chǎng)研究現(xiàn)狀</p><p>　　鍋爐在啟動(dòng)和停止的過(guò)程中，鍋筒內(nèi)的溫度場(chǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的三維穩(wěn)態(tài)分布場(chǎng)。這是因?yàn)殄佂膊粌H構(gòu)造比較復(fù)雜，并且它還伴隨有傳質(zhì)、兩相流、凝結(jié)、閃蒸等現(xiàn)象。就目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鍋爐鍋筒溫度場(chǎng)的計(jì)算一般是進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，而鍋筒的建模方式又可以分為一維建模、二維建模和三維建模。</p><p>　　一維溫度場(chǎng)的分析計(jì)算一般是在幾種不同的簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行的。計(jì)算一維溫

23、度場(chǎng)通常需要提前確立各種不同的簡(jiǎn)化條件。鄭思定，鄧文儉將鍋筒假設(shè)為一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的圓筒體，且僅在徑向上存在溫度梯度，不存在周向溫差及軸向溫差。鍋筒的壁厚相對(duì)于它的整個(gè)筒體結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)說(shuō)會(huì)很小，所以認(rèn)為沿著鍋筒徑向上鍋筒壁溫度一般是均勻分布的[3,4]。同時(shí)我們也可以把計(jì)算鍋筒的應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)求解一維溫度薄平板的平面應(yīng)力問(wèn)題，但是顯然，這種模型和實(shí)際不符。</p><p>　　而二維溫度場(chǎng)的分析計(jì)算，不需要把鍋筒軸線

24、方向的溫度差別考慮進(jìn)來(lái)，只要研究鍋筒的橫截面以及與之相連的下降管縱截面的溫度分布就行。沈月芬通過(guò)計(jì)算得到以下結(jié)論：鍋筒由于上下部所處環(huán)境的換熱系數(shù)不同，使得鍋筒上下部升溫速率不同，產(chǎn)生了鍋爐鍋筒上下溫差[5]。而且鍋筒的升溫速率和周向溫差的變化規(guī)律都會(huì)對(duì)鍋筒的溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響。</p><p>　　三維溫度場(chǎng)所分析的問(wèn)題則是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)、可變特性、不均勻物體熱傳導(dǎo)的問(wèn)題。趙鐵成以我國(guó)研發(fā)制造的300MW 鍋

25、爐為研究對(duì)象，對(duì)其處在非穩(wěn)態(tài)狀況附加若干簡(jiǎn)單的邊界條件下的情況，應(yīng)用用有限元法已經(jīng)計(jì)算出300MW 鍋爐鍋筒的三維溫度場(chǎng)分布情況[6]。因?yàn)殄佂膊牧系奈镄詤?shù)一般會(huì)隨鍋筒的溫度發(fā)生變化，而且鍋筒的受熱環(huán)境又很復(fù)雜，所以鍋筒的實(shí)際熱邊界條件是復(fù)雜多變，因此只能對(duì)鍋筒進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。和一維二維的溫度場(chǎng)計(jì)算相比較，三維溫度場(chǎng)的分析計(jì)算更貼近實(shí)際狀況。但由于相應(yīng)的計(jì)算量和需要考慮的影響因素又多又復(fù)雜，所以目前對(duì)于鍋筒的三維溫度場(chǎng)的計(jì)算分析開(kāi)展相對(duì)

26、緩慢。</p><p>　　可見(jiàn)，關(guān)于鍋爐鍋筒溫度場(chǎng)的計(jì)算，一維模型和二維模型都與實(shí)際情況差的比較遠(yuǎn)，膽識(shí)于增壓鍋爐三維模型的分析計(jì)算，目前開(kāi)展的又比較少。</p><p>　　鍋筒溫度場(chǎng)的計(jì)算方法有兩種：一種是正問(wèn)題解法，也就是直接解法，它是對(duì)所研究模的型建立相應(yīng)的導(dǎo)熱微分方程，再根據(jù)已經(jīng)知道的鍋筒和介質(zhì)的物性參數(shù)，再加上鍋筒周邊的各類(lèi)熱邊界條件以及它隨時(shí)間的變化規(guī)律，就可以直接求解出鍋

27、筒的溫度場(chǎng)分布情況；而另一種計(jì)算方法是并不十分流行的反推法，它通過(guò)控制容積法，對(duì)鍋筒壁面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再對(duì)鍋筒每一層所劃分的單元建立熱平衡方程，在已知鍋筒材料的物性參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，將鍋筒外壁的溫度分布作為熱邊界條件，進(jìn)而逐層求解鍋筒壁各層的溫度，從而得到鍋筒溫度分布。</p><p>　　對(duì)于鍋筒溫度場(chǎng)的計(jì)算，國(guó)內(nèi)大部分的研究人員主要采用的還是直接解法。賈鴻祥通過(guò)理論求解，得出鍋筒啟停及變負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中鍋

28、筒壁面溫度場(chǎng)的一維不穩(wěn)定導(dǎo)熱微分方程，他又分別對(duì)鍋筒內(nèi)壁施加第一類(lèi)邊界條件以及第三類(lèi)邊界條件，從而得到對(duì)應(yīng)邊界條件下的徑向溫差[7]。王靈梅針對(duì)鍋爐啟停過(guò)程和鍋筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做了一定假設(shè)，并進(jìn)行相應(yīng)分析，最后得到鍋爐啟停過(guò)程的鍋筒溫度場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型[8]。肖立川對(duì)于鍋筒里面介質(zhì)的換熱情況作了比較深入的分析，他把鍋筒的溫度場(chǎng)計(jì)算認(rèn)定為存在氣液兩相流傳熱的耦合熱分析，并建立了相應(yīng)的近似算法[9]。薛國(guó)新等則研究了給水速度過(guò)快會(huì)對(duì)鍋筒塑性形變的

29、影響，他們把鍋筒內(nèi)部氣液兩相流所造成的溫度計(jì)算的復(fù)雜性考慮進(jìn)去，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和插值的方法得到鍋筒內(nèi)部熱源強(qiáng)度，進(jìn)而分析計(jì)算并得出鍋筒溫度場(chǎng)分布[10]。</p><p>　　1.2.2 鍋爐鍋筒熱應(yīng)力研究現(xiàn)狀</p><p>　　鍋爐鍋筒的應(yīng)力場(chǎng)分析，主要是指對(duì)鍋爐鍋筒的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力以及這兩種應(yīng)力的綜合分析。依據(jù)不同的計(jì)算初始條件，鍋筒應(yīng)力場(chǎng)的分析又分為穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分析與瞬態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分析

30、。</p><p>　　在鍋爐鍋筒的熱應(yīng)力計(jì)算中，因?yàn)殄佂部偸翘幱谝环N復(fù)雜載荷作用下，于是要準(zhǔn)確計(jì)算出鍋筒的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)很困難，當(dāng)前的方法通常是對(duì)鍋筒的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后只考慮溫差引起的熱應(yīng)力與鍋筒工作壓力的綜合作用效果，也就是通常所說(shuō)的總應(yīng)力的分析。當(dāng)鍋筒內(nèi)壁溫度高于外壁溫度時(shí)內(nèi)壁金屬的熱膨脹會(huì)在一定程度上受到較冷的外壁金屬的約束，所以?xún)?nèi)壁金屬受到壓應(yīng)力，外壁受拉應(yīng)力；而當(dāng)鍋筒內(nèi)壁的溫度低于外壁的溫度時(shí)，鍋筒外

31、壁的金屬又會(huì)受到壓應(yīng)力，內(nèi)壁金屬會(huì)受到拉應(yīng)力。所以鍋筒在內(nèi)壓變化和鍋爐啟動(dòng)、停止過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生徑向溫差，進(jìn)而引起鍋筒的合成交變載荷應(yīng)力。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)，商福民，呂邦泰等人以200MW670t/h機(jī)組為研究對(duì)象，對(duì)于其啟停過(guò)程，應(yīng)用三維等參法計(jì)算分析鍋筒應(yīng)力場(chǎng)分布，考量了鍋筒上下溫差對(duì)鍋筒熱應(yīng)力的影響[11]。徐禮華則通過(guò)實(shí)際測(cè)量鍋筒壁的溫度，得到鍋爐鍋筒的大致溫度分布情況，使用三維有限元計(jì)算的方法，得

32、到鍋筒壁熱應(yīng)力分布情況[12]。梁艷明分析研究了鍋筒壁上存在應(yīng)力集中現(xiàn)象的高應(yīng)變區(qū)域，以鍋筒下降管處為例，定量分析了不用連接方式的情況下的鍋筒的應(yīng)力分布特性，他還提出了對(duì)于內(nèi)伸管頭部的形狀加工改進(jìn)意見(jiàn)[13]。</p><p>　　在國(guó)外，文獻(xiàn)[14,15]指出了周向溫差以及鍋筒內(nèi)外壁溫差對(duì)于鍋筒熱應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，但是將每一種溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力又進(jìn)行了單獨(dú)分析，忽略了各種溫差所產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力之間的交互作用

33、[14,15]。J.Taler 建立了一種計(jì)算在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中鍋筒瞬態(tài)熱應(yīng)力的方法，這種方法的前提是必須以鍋爐運(yùn)行期間鍋筒壁溫度場(chǎng)的空間分布及時(shí)間分布為依據(jù)，才能通過(guò)計(jì)算得到鍋筒熱應(yīng)力場(chǎng)分布[16]。Isreb M.和 Kim T.S.對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的升溫速率等方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，減小了在啟動(dòng)過(guò)程中由于鍋筒壁溫差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力[17,18]。</p><p>　　1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容</p>

34、<p>　　本文以給定鍋爐的鍋筒作為研究對(duì)象，對(duì)其溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行研究分析，具體研究?jī)?nèi)容如下：</p><p>　　采用三維有限元理論，利用大型有限元分析軟件ANSYS，建立給定鍋爐鍋筒的有限元模型，并施加相應(yīng)的約束和載荷，對(duì)鍋爐正常運(yùn)行工況下鍋筒的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，得到鍋爐鍋筒在穩(wěn)定工況下的溫度云圖和熱應(yīng)力云圖。具體工作包括以下幾個(gè)方面：(1)．建立給定鍋爐鍋筒的三維有限元

35、分析模型；</p><p>　?。┘雍线m的約束，載荷邊界條件，使鍋爐鍋筒始終在正常工作范圍；(3)．用有限元分析軟件分析并確定鍋筒正常工作時(shí)其內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布規(guī)律；</p><p>　　(4)．用有限元分析軟件分析并確定鍋筒正常工作時(shí)其內(nèi)部的熱應(yīng)力分布規(guī)律；(5)．計(jì)算分析鍋筒正常工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)及穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力分布規(guī)律，為評(píng)判鍋爐的安全狀況提供參考。</p><p

36、><b>　　2 相關(guān)理論基礎(chǔ)</b></p><p>　　2.1 有限元法介紹</p><p>　　有限元分析法是求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種常用的數(shù)值計(jì)算方法，有限元法剛開(kāi)始在固體力學(xué)領(lǐng)域的使用比較頻繁，接著很快擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等其他的領(lǐng)域。</p><p>　　有限元法是使用數(shù)學(xué)（主要是數(shù)學(xué)近似）的方法對(duì)切實(shí)存在的物理系

37、統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬。利用簡(jiǎn)單而又相互影響的單元，然后使用有限個(gè)數(shù)的未知量去無(wú)限逼近未知量的真實(shí)系統(tǒng)。</p><p>　　有限元模型得實(shí)質(zhì)就是真實(shí)存在的系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)。它把整體結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，然后利用單元的一些特性，對(duì)單元進(jìn)行分析；再把這有限個(gè)離散單元集合還原成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，再分析離散結(jié)構(gòu)的性能。劃分的單元大小和數(shù)目會(huì)根據(jù)軟件所確定的計(jì)算精度和計(jì)算的機(jī)能力來(lái)確定。如圖2.1梯子的真實(shí)系統(tǒng)和有限元模型以及圖2

38、.2 齒輪有限元模型。</p><p>　　真實(shí)系統(tǒng) 有限元模型</p><p>　　圖2.1 梯子的真實(shí)系統(tǒng)和有限元模型</p><p>　　圖2.2 齒輪有限元模型</p><p>　　有限元法的基本思路是：分割--組合。具體可以表述為：</p><p

39、>　　1、把表示物體結(jié)構(gòu)或者連續(xù)物體的求解域離散為幾個(gè)單元，然后通過(guò)他們邊界節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系組合成一個(gè)整體（組合體）；?2、單元分析，也就是對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的單元，用標(biāo)準(zhǔn)的方法提出一個(gè)近似解；?3、把所有單元按照標(biāo)準(zhǔn)方法組合成一個(gè)與原有系統(tǒng)比較接近的系統(tǒng)，也稱(chēng)作整體分析。</p><p>　　工程技術(shù)中有很多問(wèn)題都可以根據(jù)他們的物理特點(diǎn)，建立各自的微分方程及相應(yīng)的邊界條件，其中比較簡(jiǎn)單的一般只有幾何形狀和邊界

40、條件，有時(shí)候微分方程的類(lèi)型也會(huì)比較簡(jiǎn)單，但是用解析方法求不出工程技術(shù)上問(wèn)題的精確解，于是相關(guān)研究人員尋求近似解來(lái)代替解析解。</p><p>　　有限元法具備很多優(yōu)點(diǎn)，如下： 1、對(duì)于復(fù)雜幾何構(gòu)型的適應(yīng)性；</p><p>　　2、對(duì)于各種物理問(wèn)題的適用性；</p><p>　　3、建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性；</p><p>　　4、

41、適合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的高效性。</p><p>　　總之，有限元法已經(jīng)被公認(rèn)為最有效的應(yīng)力分析工具，并且受到了相關(guān)研究人員重視和廣泛應(yīng)用。</p><p>　　2.1.1 ANSYS分析的基本過(guò)程</p><p>　　ANSYS分析過(guò)程包含3個(gè)主要的步驟：前處理、加載并求解、后處理（如圖2.3所示）。</p><p>　　圖2.3 ANSYS分析的

42、基本過(guò)程</p><p>　　前處理 前處理是指建立實(shí)體模型和有限元模型。它包含：創(chuàng)建實(shí)體模型，定義單元屬性，劃分有限元網(wǎng)格，修正模型等。</p><p><b>　　加載并求解</b></p><p>　　將劃分好網(wǎng)格的三維模型加載入ANSYS軟件，然后進(jìn)行類(lèi)型定義，確定研究類(lèi)型、材料特性以及溫度等相關(guān)屬性。3．后處理 將第二

43、部分所得到的答案（如變形，應(yīng)力和反力等）資料，通過(guò)圖形以各種不同表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來(lái)[19]。</p><p><b>　　2.2 強(qiáng)度理論</b></p><p>　　此處論述的強(qiáng)度理論主要包括四個(gè)：最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論、最大拉應(yīng)力理論、形狀改變比能理論、最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論。</p><p>　　1.最大拉應(yīng)力理論 這

44、個(gè)理論是最早的強(qiáng)度理論，又稱(chēng)第一強(qiáng)度理論。提出這個(gè)理論的根據(jù)是：如果作用在構(gòu)件上的外力很大，那么它危險(xiǎn)點(diǎn)位置的材料就會(huì)沿著最大拉應(yīng)力所處的截面發(fā)生脆斷破壞。這個(gè)理論對(duì)于脆斷原因所做的假說(shuō)是：最大拉應(yīng)力是引起材料脆斷破壞的因素；也就是不管在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只須構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的幾個(gè)主應(yīng)力中最大的拉應(yīng)力到達(dá)或者超過(guò)材料的極限值，材料在該處就會(huì)發(fā)生脆斷破壞。至于材料的極限值則可由通過(guò)任意一種使試件發(fā)生破壞的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。</p>&l

45、t;p>　　在簡(jiǎn)易的拉伸試驗(yàn)中，如果令三個(gè)主應(yīng)力中的兩個(gè)為零，那么最大主應(yīng)力便是材料橫截面上的拉應(yīng)力，但這個(gè)應(yīng)力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度時(shí)，試件就斷裂。所以，依據(jù)第一強(qiáng)度理論，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的拉伸試驗(yàn)，便可以得知材料的極限應(yīng)力就是。于是在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料的破壞條件是 </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　考慮安全系數(shù)以后的強(qiáng)度條件是&l

46、t;/p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　這一理論基本上能正確反映出某些材料的強(qiáng)度特性。 </p><p>　　2.最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論 最大增長(zhǎng)線應(yīng)變理論習(xí)慣上稱(chēng)第二強(qiáng)度理論。這一強(qiáng)度理論的根據(jù)是：如果作用在材料上的外力很大，那么它危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大增長(zhǎng)線應(yīng)變的方向發(fā)生脆斷破壞。這一理論對(duì)脆斷原因所做的假說(shuō)

47、是：最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變是引起材料脆斷破壞的因素；即不管在如何的應(yīng)力狀態(tài)下，只需材料內(nèi)某點(diǎn)處的達(dá)到或超過(guò)材料的極限值，材料就會(huì)在該處發(fā)生脆斷破壞。與前述道理相同，材料的極限值則可通過(guò)任意一種使試件發(fā)生脆斷破壞的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。材料的脆斷破壞條件為：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　式中，是單向拉伸試件在拉斷時(shí)其橫截面上的正應(yīng)力。在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

48、下一點(diǎn)處的最大線應(yīng)變?yōu)?</p><p><b>　?。?.4） </b></p><p>　　代入式(2.3)得:</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　將式(2.5)右邊的除以材料的安全系數(shù)就可以得出材料的容許拉應(yīng)力。所以對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)位置于比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)

49、件，按第二強(qiáng)度理論所建立的強(qiáng)度條件是：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　3．最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論</p><p>　　最大剪應(yīng)力理論一般又可以稱(chēng)之為第三強(qiáng)度理論。提出這個(gè)理論的根據(jù)是，如果施加在構(gòu)件上的外力很大，那么它危險(xiǎn)點(diǎn)位置的材料就會(huì)沿著最大剪應(yīng)力所處的截面發(fā)生滑移而產(chǎn)生屈服破壞。這一理論在對(duì)屈服破壞原因所

50、做的假說(shuō)是：最大剪應(yīng)力是引起材料屈服破壞的因素；即不論在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只須構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)的最大剪應(yīng)力達(dá)到或者超過(guò)材料的極限值，這點(diǎn)的材料就會(huì)發(fā)生屈服破壞。至于材料的極限值可以通過(guò)任意一種使試件發(fā)生屈服破壞的試驗(yàn)來(lái)確定。至于低碳鋼這類(lèi)型材料，在單方向拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，材料的屈服現(xiàn)象就是因?yàn)樗匦苯孛姘l(fā)生滑移而出現(xiàn)的。這時(shí)候試件在橫截面上的正應(yīng)力便是構(gòu)件的屈服點(diǎn)，而在試件斜截面上的最大剪應(yīng)力(即45º斜截面上的剪應(yīng)力)等于橫截面上正應(yīng)

51、力的一半。于是，對(duì)于這一類(lèi)材料，就可以從單向拉伸試驗(yàn)中得到材料的極限值：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　所以，按照這一強(qiáng)度理論的觀點(diǎn)，屈服破壞條件是:</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下一點(diǎn)處的最大剪應(yīng)力為<

52、;/p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中，和分別為這個(gè)應(yīng)力狀態(tài)中的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。所以</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　將式（2.10）右邊的除以安全系數(shù)即得材料的允許拉應(yīng)力，所以對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)位于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，依據(jù)第三強(qiáng)度理

53、論所建立的強(qiáng)度條件是：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　在應(yīng)力分析中，通常稱(chēng)為應(yīng)力強(qiáng)度，第三強(qiáng)度理論的缺點(diǎn)是沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力，對(duì)材料屈服的影響。</p><p>　　4.形狀改變比能理論</p><p>　　這一理論通常也稱(chēng)為第四強(qiáng)度理論。它對(duì)屈服破壞原因所做的假說(shuō)是：設(shè)形狀改變比

54、能是引起材料屈服破壞的因素；即不論構(gòu)件處于如何的應(yīng)力狀態(tài)，只要結(jié)構(gòu)內(nèi)某點(diǎn)位置的形狀改變比能超過(guò)或者達(dá)到材料的極限，構(gòu)件的這個(gè)位置就會(huì)發(fā)生屈服破壞。</p><p>　　構(gòu)件在外力作用下蓄積的形狀改變比能ud，可以如下的公式進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　（2.12） </p><p>　　在簡(jiǎn)單拉伸條件下，試件發(fā)生屈服時(shí)，將，代入上式，材料的形狀改變比能極限

55、值應(yīng)為：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　于是根據(jù)第四強(qiáng)度理論，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料出現(xiàn)屈服破壞的條件是ud=udjx，即：</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　即 （2.15）</p>

56、<p>　　考慮安全系數(shù)以后的強(qiáng)度條件是：</p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　注意到式(2.16)左側(cè)的三個(gè)主應(yīng)力之差分別是三個(gè)最大剪應(yīng)力的兩倍，所以，第四強(qiáng)度理論從本質(zhì)（物理本質(zhì)）上講，也可歸為剪切型的強(qiáng)度理論[20]。</p><p>　　2.3 應(yīng)力分析的力學(xué)理論</p>&l

57、t;p>　　因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，所以分析并確定其應(yīng)力分布的方法也有所差別。在材料力學(xué)中，對(duì)于靜定問(wèn)題的分析一般都采用“截面法”，“截面法”是把物體按要求截開(kāi)，利用靜力平衡，根據(jù)外載荷的情況，確定截面上的內(nèi)力，再根據(jù)一定的假設(shè)求出截面上各點(diǎn)的應(yīng)力。而對(duì)于材料力學(xué)中的靜不定問(wèn)題的分析，除了需要運(yùn)用“截面法”外，還需要再引入簡(jiǎn)單的幾何方程才能確定出所求物體的應(yīng)力分布。這種方法比較理想，對(duì)于工程中遇到的很多實(shí)際問(wèn)題，以上材料力學(xué)中的方法

58、便不能很好地解決，或者說(shuō)，需要花費(fèi)很大的物力人力才能解決，得不償失，工程上也不允許。例如：厚壁容器在承受內(nèi)壓或溫差時(shí)的應(yīng)力與變形、容器開(kāi)孔等問(wèn)題。這些問(wèn)題中物體的載荷與結(jié)構(gòu)大部分都是隨著空間三個(gè)方向而變化的，即三維而不是一維或者二維問(wèn)題；其應(yīng)力和變形也常常是空間坐標(biāo)的函數(shù)，在力學(xué)上屬于三維問(wèn)題。在解決這類(lèi)問(wèn)題時(shí)，就不能使用“截面法”，而且僅僅利用靜力平衡條件也不可能求出其應(yīng)力分布情況。要弄清楚它的應(yīng)力分布情況，就必須綜合考慮它的結(jié)構(gòu)的靜

59、力、幾何、物理等各個(gè)方面的條件。此時(shí)使用彈性力學(xué)的分析方法就比較好，彈性力學(xué)采用了與材料力學(xué)不同的分析方法--無(wú)窮小量分析，經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，</p><p>　　2.3.1 彈性力學(xué)基本方程</p><p><b>　　1．平衡方程</b></p><p>　　彈性體中的微單元體上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，滿(mǎn)足平衡方程(2.17)。在式中，分別為單位體積

60、上的應(yīng)力在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量。</p><p>　　根據(jù)剪應(yīng)力互等定理：，，。</p><p>　?。?.17） </p><p><b>　　2．幾何方程</b></p><p>　　彈性體任意一點(diǎn)的應(yīng)變和沿各坐標(biāo)軸方向的位移，滿(mǎn)足幾何方程：</p><p><b>

61、;　　（2.18）</b></p><p>　　為保證物體變形后連續(xù)，各應(yīng)變分量之間尚需滿(mǎn)足應(yīng)變協(xié)調(diào)方程：</p><p><b>　　（2.19）</b></p><p>　　3．物理方程： 對(duì)各向同性材料來(lái)說(shuō)應(yīng)力和應(yīng)變之間滿(mǎn)足物理方程：</p><p><b>　?。?.20）</

62、b></p><p>　　式中，為彈性模量；為泊松比；為切變模量，對(duì)各向同性材料說(shuō):。</p><p>　　2.3.2 熱彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)</p><p>　　鍋爐中有好多部件都是圓筒形的，如鍋筒、聯(lián)箱和管子等，因?yàn)檫@些部件是圓筒形的，所以它們金屬壁內(nèi)的溫度分布是不均勻的，尤其當(dāng)鍋爐在不穩(wěn)定工況下工作時(shí)，如鍋爐的啟停等，這些圓筒壁內(nèi)的溫度分布不均勻程度會(huì)更大

63、，而且溫度分布還會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。所以，這些圓筒形鍋爐部件在受熱時(shí)不僅產(chǎn)生熱變形，而且還會(huì)由于相鄰金屬的約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果此時(shí)物體所產(chǎn)生的熱應(yīng)力仍在相應(yīng)材料的彈性范圍內(nèi)，那么此熱應(yīng)力和由它所引起的熱應(yīng)變?nèi)苑暮硕伞?duì)鍋爐的圓筒形承壓部件來(lái)說(shuō)，有時(shí)會(huì)受到外力及溫度變化的雙重作用力，要解決這類(lèi)熱彈性力學(xué)問(wèn)題，則需要按疊加原理把熱應(yīng)力的解與通常彈性力學(xué)的解疊加起來(lái)，本節(jié)忽略物體的體積和外力的作用，只考慮溫度的作用，以突出熱應(yīng)力問(wèn)題。

64、</p><p>　　在有的三維問(wèn)題分析中，因?yàn)榇嬖跍囟葓?chǎng)的影響，所以物質(zhì)性方程用如下形式表示[21]：</p><p><b>　?。?.21）</b></p><p>　　式(2.21)表明，僅考慮溫度作用的物體的總應(yīng)變由兩部分組成：第一部分是由熱應(yīng)力引起的服從虎克定律的彈性范圍內(nèi)的應(yīng)變；第二部分是由于溫度變化引起的自由膨脹或收縮的初應(yīng)變，

65、這部分應(yīng)變與應(yīng)力無(wú)關(guān)。對(duì)于鍋爐的汽包、聯(lián)箱等部件來(lái)說(shuō)，其幾何形狀都是圓筒形的，因此這些方程在圓柱坐標(biāo)系下表示更為方便。在圓柱坐標(biāo)中，取圓筒的軸線z為對(duì)稱(chēng)軸。對(duì)于這類(lèi)軸對(duì)稱(chēng)部件的熱應(yīng)力，若溫度分布與坐標(biāo) 無(wú)關(guān)，只是坐標(biāo)和的函數(shù)，即，則這時(shí)可簡(jiǎn)化為以和為自變量的二維問(wèn)題來(lái)解。這類(lèi)問(wèn)題不計(jì)體積力，其平衡微分方程式為： </p><p><b>　?。?.22）

66、 </b></p><p>　　幾何方程式為： </p><p><b>　　（2.23）</b></p><p>　　用應(yīng)變表示應(yīng)力的物性方程式為：</p><p><b>　?。?.24）</b></p><p>　　若溫度分布沿圓

67、筒軸線方向也無(wú)變化，且是軸對(duì)稱(chēng)的，只是坐的函數(shù)，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力也必然是軸對(duì)稱(chēng)的，即應(yīng)力分量與和無(wú)關(guān)，也只是坐標(biāo)的函數(shù)。鍋爐中的圓筒形部件一般也可以看成是這種軸對(duì)稱(chēng)溫度分布問(wèn)題[22]。</p><p>　　2.4 熱應(yīng)力介紹</p><p>　　熱應(yīng)力是物體溫度發(fā)生變化時(shí)，物體因?yàn)橥庠诩s束和內(nèi)部各部分之間的彼此約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，又可以叫做變溫應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)就是，工程

68、和科技裝置中同時(shí)承受外力和高溫作用的部件，例如鍋爐、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、核動(dòng)力裝置及火箭、高速飛行器等。</p><p>　　前面提到過(guò)，零件在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力。我們所了解的材料力學(xué)和彈性力學(xué)就是研究物體在受外力作用下其內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和變形之間關(guān)系的科學(xué)。但是，引起物體變形的原因不僅僅有外力作用，溫度一樣可以引起物體發(fā)生形變。而溫度變化所引起的物體形變稱(chēng)為熱變形。自然現(xiàn)象中的熱

69、脹冷縮就是熱變形的典型例子。</p><p>　　如果僅僅只有溫度發(fā)生變化的話，物體內(nèi)部不一定會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；物體只有在溫度變化情況下發(fā)生膨脹或者收縮受到約束時(shí)才會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如一根長(zhǎng)度為，直徑為的金屬棒，初始溫度為，均勻受熱后，溫度升至,則棒子在自由膨脹時(shí)，它在長(zhǎng)度和直徑方向的伸長(zhǎng)量分別為及，它在長(zhǎng)度和直徑方向的應(yīng)變?yōu)椋?lt;/p><p>　　（2.25）

70、 </p><p>　　也就是，該金屬棒的溫度由升至?xí)r，各個(gè)方向的應(yīng)變均為：</p><p><b>　　（2.26）</b></p><p>　　式中：為材料的膨脹系數(shù)，它隨材料的不用而不同，并且受溫度影響，但是當(dāng)溫度變化不大時(shí)，可視為常數(shù)。<

71、/p><p>　　熱應(yīng)力是因?yàn)闇囟茸兓鹞矬w的膨脹或者收縮受到約束才產(chǎn)生的，而約束作用大致可以歸納為三類(lèi)：外部變形的約束、內(nèi)部各部分之間變形的約束和相互變形的約束。</p><p>　　舉個(gè)外部變形的約束的例子：假定一個(gè)各向同性的立方體邊長(zhǎng)為1cm，因?yàn)槭軣釀蚍Q(chēng)而自由膨脹或者因?yàn)榫鶆蚶鋮s而自由收縮時(shí)，該立方體會(huì)在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向產(chǎn)生同樣的伸長(zhǎng)或者收縮，即該立方體僅僅有縱向變形，而無(wú)剪切變形

72、，此時(shí)該長(zhǎng)方體內(nèi)部照樣會(huì)有熱應(yīng)力產(chǎn)生。</p><p>　　在內(nèi)部各單元之間變形的約束指的是在溫度分布不均勻的物體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力時(shí)所受到的約束。因?yàn)?，在這種情況下，雖然物體不受外力作用，但是由于物體內(nèi)部各處的溫度不同，因此物體內(nèi)每一部分因受到相鄰部分的影響而不能自由伸縮，此時(shí)，物體內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。</p><p>　　第三種情況就是零件相互變形的約束。因?yàn)闃?gòu)件是由若干不同材料的零件組合

73、起來(lái)的，所以即使構(gòu)件受到相同的加熱或冷卻，但由于各種零件的膨脹系數(shù)不同，或由于膨脹方式不同而造成的零件相互之間約束，不能自由脹縮，從而各自產(chǎn)生不同的熱應(yīng)力。</p><p>　　以上的討論可歸納得出：物體溫度產(chǎn)生變化，由于它和不能自由伸縮的其他物體之間或著該物體內(nèi)部各部分之間因?yàn)橄嗷ゼs束所產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。這是一種非外力作用引起的應(yīng)力，導(dǎo)致熱應(yīng)力的根本原因是溫度變化與約束作用。其中約束作用可歸納為三種形式，分

74、別為外部變形的約束、相互變形的約束、以及內(nèi)部各部分之間變形的約束。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了近幾年發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值（模擬）計(jì)算方法--有限元法，這是一種根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)、物理問(wèn)題的算法。 四大強(qiáng)度理論：最大拉應(yīng)力理論、最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論、最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論和形狀改變比能理論。彈性力學(xué)的最基本的平衡微

75、分方程、幾何方程和物理方程。還介紹了熱應(yīng)力的一些基本情況。</p><p>　　3 鍋爐鍋筒的力學(xué)分析</p><p>　　3.1 內(nèi)壓作用下鍋筒圓筒的應(yīng)力狀態(tài)</p><p>　　假定鍋爐鍋筒的圓筒內(nèi)半徑為，外半徑為，令它的半徑比為，那么內(nèi)壓作用下鍋筒圓筒的應(yīng)力分布根據(jù)拉梅公式[23]有：</p><p><b>　?。?.1）

76、</b></p><p>　　內(nèi)壓作用下圓筒壁各點(diǎn)應(yīng)力見(jiàn)表3.1：</p><p>　　表3．1 內(nèi)壓下圓筒壁中的應(yīng)力</p><p>　　3.2 鍋筒圓筒熱應(yīng)力</p><p>　　因?yàn)殄仩t鍋筒在一定的溫度環(huán)境下工作，所以溫度變化會(huì)導(dǎo)致材料的膨脹和收縮，假如鍋筒外面的約束或著內(nèi)部的變形條件而使它的膨脹或收縮不能自由發(fā)生時(shí)，在它的

77、構(gòu)件中就會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力也稱(chēng)作熱應(yīng)力。</p><p>　　熱應(yīng)力的求解一般分為兩步：第一步，知道問(wèn)題的初始條件、邊界條件，利用相關(guān)公式，如熱傳導(dǎo)微分方程，進(jìn)行計(jì)算，最后得物體（鍋爐鍋筒）的溫度場(chǎng)；第二步，按照前面提過(guò)的彈性力學(xué)的基本方程求解出物體的熱應(yīng)力。</p><p>　　舉例來(lái)說(shuō)，已知條件：內(nèi)半徑為，外半徑為b的厚壁圓筒，如果該圓筒的兩端自由且絕熱，圓筒內(nèi)沒(méi)有熱源，內(nèi)壁溫

78、度為，外壁溫度為。那么該圓筒容器內(nèi)任一半徑處的溫度分布可以表示為[24]:</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　而厚壁圓筒的熱應(yīng)力分布則需要利用平面軸對(duì)稱(chēng)熱應(yīng)力問(wèn)題一般解法來(lái)求：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　其中： 熱

79、膨脹系數(shù)；</p><p><b>　　彈性模量；</b></p><p><b>　　泊松比；</b></p><p>　　在一般情況下，熱膨脹數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而逐漸增大，則相反；在圓筒內(nèi)外表面上，會(huì)有最大值，這些值分別為：</p><p>　　（3.4） </p>

80、<p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)鍋爐鍋筒和有關(guān)容器開(kāi)孔進(jìn)行了力學(xué)分析和熱應(yīng)力分析，并列出了圓筒容器的溫度分布、熱應(yīng)力分布公式和圓筒的最大應(yīng)力值公式。</p><p>　　4 鍋爐鍋筒壁溫、熱應(yīng)力 ANSYS 數(shù)值模擬分析

81、</p><p>　　4.1 鍋爐鍋筒幾何實(shí)體模型建立</p><p>　　實(shí)際鍋爐鍋筒的內(nèi)部組件數(shù)量較多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在分析過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多難以計(jì)算或確定的因素，這些因素在一定程度上會(huì)對(duì)鍋筒內(nèi)部的汽水流動(dòng)分布及鍋筒受熱情況造成影響。如果考慮所有的這些影響因素，在分析過(guò)程中不僅會(huì)占用很多計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間，增大計(jì)算量，耗費(fèi)大量的時(shí)間，而且很會(huì)使研究成本增高。而且即使將這些因素全都考慮進(jìn)來(lái)也不

82、能保證計(jì)算所得出的鍋筒溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力場(chǎng)分布是準(zhǔn)確無(wú)誤的。因此，在對(duì)鍋爐鍋筒進(jìn)行ANSYS 數(shù)值模擬分析的時(shí)候，需要根據(jù)鍋筒本身的結(jié)構(gòu)尺寸和受熱特性，對(duì)鍋筒的結(jié)構(gòu)以及邊界條件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理，具體過(guò)程如下：</p><p>　　因?yàn)殄仩t鍋筒的筒體區(qū)域和封頭部分的壁厚存在差異，導(dǎo)致連接處是一</p><p>　　構(gòu)不連續(xù)的幾何體，因此會(huì)在這部分產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況。但因?yàn)閮H僅是局部加強(qiáng)，所

83、以在鍋爐鍋筒幾何實(shí)體建模的過(guò)程中可以忽略封頭部分；</p><p>　?。?）在鍋筒的連接系統(tǒng)中有下降管、水冷壁及對(duì)流蒸發(fā)管束等，這些部件的孔徑尺寸和伸出長(zhǎng)度存在一定的偏差。但是因?yàn)殄佂驳倪B接管束在鍋筒內(nèi)部伸出部分比較短，對(duì)其內(nèi)部的汽水流動(dòng)規(guī)律的影響不是很大，所以連接管束的這一伸出部分可以忽略不計(jì)。而且根據(jù)管束向外延伸長(zhǎng)度對(duì)于名義應(yīng)力分布規(guī)律的影響，一般采用管束向外伸出自身外徑2倍的長(zhǎng)度那一部分研究。</p

84、><p>　?。?）因?yàn)殄佂驳倪B接管束和鍋筒本身的連接方式是機(jī)械脹接，而機(jī)械脹接的連接效果又會(huì)對(duì)鍋筒的性能有一定的影響。通過(guò)以前的一些研究資料可以發(fā)現(xiàn)，要使脹接效果達(dá)到比較好的水平的話，一般要使連接管束和筒體是同一材料，此時(shí)，冷態(tài)脹接的效果、連接部分的抗脫拉力和脹接接頭的密封性均能達(dá)到較高狀態(tài)。因此，假設(shè)給定鍋爐鍋筒的筒體和其連接管束是同一材料并把這兩部分看做一個(gè)整體，這樣可以在一定程度上簡(jiǎn)化計(jì)算。</p>

85、;<p>　?。?）因?yàn)殄佂矁?nèi)部裝置（如汽水分離器、排污器等）和鍋筒內(nèi)部工質(zhì)本身具有的重量對(duì)鍋筒溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響不是很大，所以忽略鍋筒自身重量、鍋筒內(nèi)部裝置重量、筒內(nèi)工質(zhì)重量和由此帶來(lái)的鍋筒下部反支力。</p><p>　　4.1.1 鍋筒材料屬性</p><p>　　本文所研究的鍋筒的制造材料為23Mn2Cu，在對(duì)鍋筒壁溫及應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)

86、數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)鍋筒周向溫度存在溫度差異。給定鍋爐鍋筒的設(shè)計(jì)壓力為6.5MPa，溫度為260℃。給定鍋爐物性參數(shù)和材料特性參數(shù)見(jiàn)表4.1和表4.2。</p><p>　　表4.1 給定鍋爐的物性參數(shù)</p><p>　　表4.2 材料特性參數(shù)</p><p><b>　　續(xù)表4.2</b></p><p>　　4.1.2 鍋

87、筒三維模型建立</p><p>　　對(duì)內(nèi)壓作用下的圓筒體，通常以相鄰兩個(gè)管孔邊緣距離是否小于(R為簡(jiǎn)體半徑，S為簡(jiǎn)體厚度)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷管孔是否互相影響，本計(jì)算模型相鄰管孔節(jié)距較小，應(yīng)力相互影響，應(yīng)按實(shí)際尺寸建模，不能省略個(gè)別管孔[25]。 </p><p>　　本文采用ANSYS軟件實(shí)體建模功能創(chuàng)建鍋筒的實(shí)體模型，采用混合法從底部往上和從頂部向下的實(shí)體建模方法，建立了給定鍋爐鍋筒和與它相

88、連的連接管道的簡(jiǎn)化幾何實(shí)體模型，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 鍋筒的三維模型</p><p><b>　　4.2 網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　在ANSYS軟件數(shù)值模擬進(jìn)行的過(guò)程中，因?yàn)樗┘拥臏囟葔毫d荷沒(méi)有直接加載到幾何有限元模型上，是通過(guò)模型本身及模型的面等加載方式傳遞到有限元模型的節(jié)點(diǎn)和單元上。所以，在建立了鍋

89、筒的幾何實(shí)體模型后，開(kāi)始進(jìn)行劃分網(wǎng)格，并生成節(jié)點(diǎn)以及單元格。</p><p>　　4.2.1 單元類(lèi)型的選取</p><p>　　本文采用和分析相對(duì)應(yīng)的 SOLID 70 單元(見(jiàn)圖4．2)，該單元沒(méi)有中間節(jié)點(diǎn)，SOLID 70通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有沿著xyz 3個(gè)方向平移的自由度。</p><p>　　圖4．2 SOLID 70 單元</p>

90、<p>　　4.2.2 鍋筒模型的網(wǎng)格劃分</p><p>　　因?yàn)槠Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對(duì)鍋筒模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候僅選取鍋筒本身、下降管和一個(gè)對(duì)流管束進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4.3所示。鍋筒模型（除去下降管和對(duì)流管束 ）共劃分了565136個(gè)單元。</p><p><b>　　圖4.3 網(wǎng)格圖</b></p><p>　　4.

91、3 邊界條件確定及加載</p><p><b>　　1.施加約束 </b></p><p>　　根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)，一般在對(duì)稱(chēng)面上施加的約束為對(duì)稱(chēng)約束，由于熱應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致鍋筒剛體移動(dòng)，因此沒(méi)有在鍋筒上施加X(jué)方向的約束和Y方向的約束。</p><p><b>　　施加載荷</b></p>&l

92、t;p>　　一般情況下，增壓鍋爐和常壓鍋爐鍋筒受熱情況大致相同，在下降管處的鍋筒壁外側(cè)會(huì)受到爐膛的輻射換熱影響。查看常壓鍋爐船用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取鍋筒壁和下降管溫度見(jiàn)表4.3。</p><p>　　表4．3 鍋筒內(nèi)外壁溫度（單位：℃）</p><p><b>　　4.4 結(jié)果分析</b></p><p>　　4.4.1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果分析&l

93、t;/p><p>　　在對(duì)給定鍋爐進(jìn)行三維建模并施加相應(yīng)的溫度載荷后，通過(guò)ANSYS軟件的計(jì)算可以得出如圖4.4的溫度云圖。 </p><p>　　圖4.4 鍋筒（除去下降管和對(duì)流管束）的溫度云圖</p><p>　　從圖中可以看出在下降管所在的那塊區(qū)溫度最高，在鍋筒頂部溫度最低，在鍋筒底部溫度最高，而在中間有一個(gè)不規(guī)則的溫度過(guò)度區(qū)域。</p><p

94、>　　4.4.2 穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析</p><p>　　熱應(yīng)力場(chǎng)一般比機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，這個(gè)系統(tǒng)的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在鍋筒外壁和對(duì)流管束以及鍋筒外壁和下降管相連處稍微偏里一點(diǎn)。這是因?yàn)殄佂矞囟葓?chǎng)比壓力場(chǎng)復(fù)雜，鍋筒外下壁和下降管外壁受輻射換熱，熱量從鍋筒外下壁流入鍋筒，而對(duì)于鍋筒上壁來(lái)說(shuō)，則是內(nèi)壁溫度比外壁高。汽包上壁受到了拉應(yīng)力，而下壁受到了壓應(yīng)力[26]。</p><p>　　在

95、對(duì)給定鍋爐進(jìn)行三維建模并施加相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)面約束和壓力載荷后，通過(guò)ANSYS軟件的計(jì)算和分析可以得出如圖4.5的熱應(yīng)力云圖。 </p><p>　　圖4.5 鍋筒（除去下降管和對(duì)流管束）的熱應(yīng)力云圖</p><p>　　從圖中看出應(yīng)力，在各管束與鍋筒壁相交的地方出現(xiàn)了應(yīng)力集中，這是因?yàn)殄佂矞囟壬邥r(shí)，鍋筒沿軸向膨脹相對(duì)于徑向要大。而鍋筒本身由于大量管孔的存在，鍋筒壁強(qiáng)度被削弱，因此在有孔的地

96、方出現(xiàn)了應(yīng)力集中。</p><p>　　在鍋筒兩側(cè)的水位波動(dòng)區(qū)，因?yàn)榇嬖跍囟忍荻?，?huì)出現(xiàn)比較大的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力從鍋筒內(nèi)壁到外壁的熱應(yīng)力會(huì)先逐漸增加，在應(yīng)力達(dá)到最大值后開(kāi)始下降，這是因?yàn)楣苁耐馍觳克艿募s束比較小，產(chǎn)生的溫差也小，所以熱應(yīng)力也會(huì)比較小?？梢?jiàn)，鍋筒中熱應(yīng)力對(duì)鍋筒的安全性能影響較大，所以鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中要時(shí)刻注意不能使鍋筒的上下溫差太大。</p><p><b>　　

97、4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)鍋筒進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的熱分析、熱應(yīng)力的分析計(jì)算。可以得到熱應(yīng)力對(duì)鍋筒的安全性影響很大，所以在鍋爐運(yùn)行時(shí)一定要注意鍋筒上下壁間的溫差，盡可能減小它們之間的溫差，提高鍋筒的安全性。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本篇文章擬采用強(qiáng)度分析理論，利用了有限元分析

98、軟件ANSYS，建立給定鍋爐鍋筒的模型，并對(duì)鍋筒的穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算并得出相應(yīng)的云圖，通過(guò)對(duì)鍋筒穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場(chǎng)的分析而得出結(jié)論，進(jìn)而為確定增壓鍋爐所需要的最優(yōu)啟動(dòng)和變負(fù)荷分析方案提供一定的理論支撐。</p><p>　　該鍋爐鍋筒與常壓鍋爐的鍋筒相比，應(yīng)力集中出現(xiàn)的位置一樣，不過(guò)增壓鍋爐管孔節(jié)距較小，應(yīng)力值一般比常壓鍋爐要大。</p><p>　　因?yàn)殄佂采舷卤跍?/p>

99、差對(duì)鍋筒的安全運(yùn)行影響很大，所以在設(shè)計(jì)鍋筒的過(guò)程中，不能僅僅只考慮由壓力引起的機(jī)械應(yīng)力，還要考慮鍋筒上下壁溫差引起的熱應(yīng)力，進(jìn)而合理的利用熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行相互削弱，從而更好的達(dá)到鍋爐鍋筒的安全要求；在鍋爐運(yùn)行的啟停過(guò)程中，務(wù)必要遵守安全守則，并嚴(yán)格控制鍋筒上下壁之間的溫差。</p><p>　　本篇文章對(duì)增壓鍋爐整個(gè)鍋筒模型的熱應(yīng)力溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，并得出了相應(yīng)的結(jié)果。論文還有很多不足之處，需

100、要以后作進(jìn)一步的分析和研究：</p><p>　　1、沒(méi)有考慮倒角的存在。</p><p>　　2、只考慮了內(nèi)外壁的溫度場(chǎng)，沒(méi)有考慮溫度沿軸向的變化。</p><p>　　3、沒(méi)有考慮各管束與鍋筒壁的連接方式。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可以一步步把這些問(wèn)題考慮進(jìn)去。</p><p><b>　

101、　致謝</b></p><p>　　四年的學(xué)習(xí)生涯將要畫(huà)上句號(hào)，而在論文寫(xiě)作的過(guò)程中，從論文的選題到確定思路，從資料的搜集、提綱的擬定到內(nèi)容的寫(xiě)作與修改，繼而諸多觀點(diǎn)的梳理，都得益于我的導(dǎo)師——王軍老師的悉心指導(dǎo)和匠心點(diǎn)撥。</p><p>　　老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)上給予了我們悉心的指導(dǎo)。王軍老師在論文的點(diǎn)評(píng)中總是閃爍著智慧的火花，與老師的每次交談我都能從中獲益。老師淵博的學(xué)識(shí)，敏銳

102、的學(xué)術(shù)洞察力，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的負(fù)責(zé)精神給予了我極其深刻的印象，讓我受益匪淺。在此，謹(jǐn)向王老師表示我最衷心地感謝和最誠(chéng)摯的敬意。</p><p>　　同時(shí)，也向四年來(lái)所有教導(dǎo)過(guò)我和幫助過(guò)我的各位老師表示感謝，感謝您們對(duì)我的諄諄教誨、耐心指導(dǎo)和無(wú)私的幫助。感謝我的同學(xué)和朋友們，感謝你們?cè)谖艺撐膶?xiě)作過(guò)程中給予我的鼓勵(lì)、關(guān)心和無(wú)私的幫助。</p><p>　　最后，衷心地感謝我的家人，感

103、謝你們一直以來(lái)給予我的支持和鼓勵(lì)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]楊曉峰.增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力及疲勞壽命分析[D] .碩士學(xué)位論文. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2009.</p><p>　　[2]沙浩男.增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力及疲勞壽命分析[D] .碩士學(xué)位論文. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2014.</

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