鍋爐鍋筒的穩(wěn)態(tài)溫度場及熱應力場分析畢業(yè)設計

1、<p>　　鍋爐鍋筒的穩(wěn)態(tài)溫度場及熱應力場分析</p><p>　　學生姓名： 學號： </p><p>　　學 院： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　指導教師：

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)工作時會接收來自省煤器的供水，并向過熱器輸送飽和蒸汽，鍋筒是加熱、蒸發(fā)和過熱三個過程的連接點

3、。鍋筒運轉工況非常繁雜，不單要承受來自內部較高的壓力，還必須承受系統(tǒng)冷、熱態(tài)啟停及變負荷時的循環(huán)機械應力和熱應力，這些交變應力很容易導致疲勞破壞。所以，對鍋筒進行溫度分析和熱應力分析，得出鍋筒在穩(wěn)態(tài)工作時的溫度和熱應力分布規(guī)律，可為增壓鍋爐的安全運行提供一定的理論支撐。</p><p>　　運用有限元分析軟件ANSYS建立給定鍋爐鍋筒的三維模型，并將給定數據帶入，對鍋筒內熱應力分布和溫度場分布進行三維有限元數值模

4、擬分析。按相應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工作。用ANSYS軟件分析并確定鍋筒正常工作時其內部的溫度場及熱應力分布規(guī)律，并根據分析結果和給定材料特性對鍋爐鍋筒進行相關的強度評定，最終為鍋筒的安全評判提供參考。</p><p>　　關鍵詞：鍋爐；鍋筒；有限元；溫度場；熱應力；強度評定</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 鍋爐鍋筒溫度場及熱應力場國內外研究現狀2</p><p>　　1.2.1 鍋爐鍋筒溫度場研究現狀2</p><p>　　1.2.2 鍋爐鍋筒熱應力研究現狀3</p><p&

12、gt;　　1.3 本文主要研究內容4</p><p>　　2 相關理論基礎5</p><p>　　2.1 有限元法介紹5</p><p>　　2.1.1 ANSYS分析的基本過程6</p><p>　　2.2 強度理論7</p><p>　　2.3 應力分析的力學理論10</p>&

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

14、7</p><p>　　3.2 鍋筒圓筒熱應力17</p><p>　　3.3 本章小結18</p><p>　　4 鍋爐鍋筒壁溫、熱應力 ANSYS 數值模擬分析19</p><p>　　4.1 鍋爐鍋筒幾何實體模型建立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 網格劃分22</p><p>　　4.2.1 單元類型的選取22</p><p>　　4.2.2 鍋筒模型的網格劃分23</p><p>　　4.3 邊界條件確定及加載24</p><p>　　4.4 結果分析24</p

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

17、lt;p><b>　　參考文獻31</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　在我國船舶的主要驅動力是蒸汽動力裝置，該裝置的特點主要有技術成熟、經濟性好、可靠性高、研制的周期比較短以及較長的使用壽命。在艦船的

18、蒸汽動力裝置中，鍋爐作為提供動力的裝置，為艦船提供運動、發(fā)電以及生活等所需要的蒸汽。因為增壓鍋爐的一系列有點，比如：可靠性比較高、重量較輕、尺寸又不大，而且爐膛熱負荷比較高、機動性能優(yōu)越、經濟性良好，所以在我國的船舶中一般使用蒸汽動力裝置作為動力源。</p><p>　　到目前為止，我國在船用增壓鍋爐方面的鉆研還有一定的局限。這幾年來，隨著我國海軍以及海軍的相干裝備的進步，船用增壓鍋爐的研制受到相關領域的普遍關注

19、，有關研究部門展開了對船用增壓鍋爐的基礎理論研究工作。與此同時，國外的艦船蒸汽動力裝置也一直在發(fā)展中，由于新型船用增壓鍋爐的接連涌現，使得相應的技術水平也日益提高。增壓鍋爐和常壓鍋爐相比，它的機能更顯優(yōu)越，主要體現在如下四個方面： 1．增壓鍋爐的體積小、重量輕； 2．增壓鍋爐動力裝置經濟性高； </p><p>　　3．增壓鍋爐動力裝置機動性能好； 4．增壓鍋爐動力裝置中的增壓鍋爐重量

20、尺寸較小，可靠性與可維護性強，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，在增壓鍋爐運行過程中，工況的變動會在一定程度上導致鍋筒承受循環(huán)應力載荷。而頻繁的應力波動則會導致金屬產生裂紋，并使得鍋筒最終破裂。增壓的鍋爐運行過程中，鍋筒內充滿著高溫高壓的飽和水和飽和蒸汽，如若鍋筒破裂產生爆炸，不僅會造成重大的經濟損失，更會造成慘重的人員傷亡。另外，由于鍋爐體積

21、龐大且結構復雜，一旦鍋筒損傷將很難進行維修和更換，鍋爐安全經濟運行也將受到影響。于是，創(chuàng)建溫度及應力場計算方法，計算分析鍋筒溫度及應力場的分布規(guī)律，通過實時監(jiān)測鍋筒的溫度及壓力等相關運行參數，實現對于鍋爐鍋筒的溫度及應力的計算監(jiān)測，這對于鍋爐的安全經濟運行有著很重大的意義[2]。</p><p>　　1.2 鍋爐鍋筒溫度場及熱應力場國內外研究現狀</p><p>　　1.2.1 鍋爐鍋

22、筒溫度場研究現狀</p><p>　　鍋爐在啟動和停止的過程中，鍋筒內的溫度場是一個非常復雜的三維穩(wěn)態(tài)分布場。這是因為鍋筒不僅構造比較復雜，并且它還伴隨有傳質、兩相流、凝結、閃蒸等現象。就目前來看，國內外對于鍋爐鍋筒溫度場的計算一般是進行簡化計算，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>　　一維溫度場的分析計算一般是在幾種不同的簡化條件下進行的。計算一維溫

23、度場通常需要提前確立各種不同的簡化條件。鄭思定，鄧文儉將鍋筒假設為一個無限長的圓筒體，且僅在徑向上存在溫度梯度，不存在周向溫差及軸向溫差。鍋筒的壁厚相對于它的整個筒體結構的尺寸來說會很小，所以認為沿著鍋筒徑向上鍋筒壁溫度一般是均勻分布的[3,4]。同時我們也可以把計算鍋筒的應力場轉換為一個求解一維溫度薄平板的平面應力問題，但是顯然，這種模型和實際不符。</p><p>　　而二維溫度場的分析計算，不需要把鍋筒軸線

24、方向的溫度差別考慮進來，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。沈月芬通過計算得到以下結論：鍋筒由于上下部所處環(huán)境的換熱系數不同，使得鍋筒上下部升溫速率不同，產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)律都會對鍋筒的溫度場分布產生一定的影響。</p><p>　　三維溫度場所分析的問題則是一個非穩(wěn)態(tài)、可變特性、不均勻物體熱傳導的問題。趙鐵成以我國研發(fā)制造的300MW 鍋

25、爐為研究對象，對其處在非穩(wěn)態(tài)狀況附加若干簡單的邊界條件下的情況，應用用有限元法已經計算出300MW 鍋爐鍋筒的三維溫度場分布情況[6]。因為鍋筒材料的物性參數一般會隨鍋筒的溫度發(fā)生變化，而且鍋筒的受熱環(huán)境又很復雜，所以鍋筒的實際熱邊界條件是復雜多變，因此只能對鍋筒進行簡化分析。和一維二維的溫度場計算相比較，三維溫度場的分析計算更貼近實際狀況。但由于相應的計算量和需要考慮的影響因素又多又復雜，所以目前對于鍋筒的三維溫度場的計算分析開展相對

26、緩慢。</p><p>　　可見，關于鍋爐鍋筒溫度場的計算，一維模型和二維模型都與實際情況差的比較遠，膽識于增壓鍋爐三維模型的分析計算，目前開展的又比較少。</p><p>　　鍋筒溫度場的計算方法有兩種：一種是正問題解法，也就是直接解法，它是對所研究模的型建立相應的導熱微分方程，再根據已經知道的鍋筒和介質的物性參數，再加上鍋筒周邊的各類熱邊界條件以及它隨時間的變化規(guī)律，就可以直接求解出鍋

27、筒的溫度場分布情況；而另一種計算方法是并不十分流行的反推法，它通過控制容積法，對鍋筒壁面進行網格劃分，再對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及結構尺寸的前提下，將鍋筒外壁的溫度分布作為熱邊界條件，進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>　　對于鍋筒溫度場的計算，國內大部分的研究人員主要采用的還是直接解法。賈鴻祥通過理論求解，得出鍋筒啟停及變負荷運行過程中鍋

28、筒壁面溫度場的一維不穩(wěn)定導熱微分方程，他又分別對鍋筒內壁施加第一類邊界條件以及第三類邊界條件，從而得到對應邊界條件下的徑向溫差[7]。王靈梅針對鍋爐啟停過程和鍋筒結構特點，做了一定假設，并進行相應分析，最后得到鍋爐啟停過程的鍋筒溫度場計算數學模型[8]。肖立川對于鍋筒里面介質的換熱情況作了比較深入的分析，他把鍋筒的溫度場計算認定為存在氣液兩相流傳熱的耦合熱分析，并建立了相應的近似算法[9]。薛國新等則研究了給水速度過快會對鍋筒塑性形變的

29、影響，他們把鍋筒內部氣液兩相流所造成的溫度計算的復雜性考慮進去，應用實驗測量和插值的方法得到鍋筒內部熱源強度，進而分析計算并得出鍋筒溫度場分布[10]。</p><p>　　1.2.2 鍋爐鍋筒熱應力研究現狀</p><p>　　鍋爐鍋筒的應力場分析，主要是指對鍋爐鍋筒的熱應力、機械應力以及這兩種應力的綜合分析。依據不同的計算初始條件，鍋筒應力場的分析又分為穩(wěn)態(tài)應力場分析與瞬態(tài)應力場分析

30、。</p><p>　　在鍋爐鍋筒的熱應力計算中，因為鍋筒總是處于一種復雜載荷作用下，于是要準確計算出鍋筒的應力場會很困難，當前的方法通常是對鍋筒的三維模型進行簡化，然后只考慮溫差引起的熱應力與鍋筒工作壓力的綜合作用效果，也就是通常所說的總應力的分析。當鍋筒內壁溫度高于外壁溫度時內壁金屬的熱膨脹會在一定程度上受到較冷的外壁金屬的約束，所以內壁金屬受到壓應力，外壁受拉應力；而當鍋筒內壁的溫度低于外壁的溫度時，鍋筒外

31、壁的金屬又會受到壓應力，內壁金屬會受到拉應力。所以鍋筒在內壓變化和鍋爐啟動、停止過程中會產生徑向溫差，進而引起鍋筒的合成交變載荷應力。</p><p>　　在國內，商福民，呂邦泰等人以200MW670t/h機組為研究對象，對于其啟停過程，應用三維等參法計算分析鍋筒應力場分布，考量了鍋筒上下溫差對鍋筒熱應力的影響[11]。徐禮華則通過實際測量鍋筒壁的溫度，得到鍋爐鍋筒的大致溫度分布情況，使用三維有限元計算的方法，得

32、到鍋筒壁熱應力分布情況[12]。梁艷明分析研究了鍋筒壁上存在應力集中現象的高應變區(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力分布特性，他還提出了對于內伸管頭部的形狀加工改進意見[13]。</p><p>　　在國外，文獻[14,15]指出了周向溫差以及鍋筒內外壁溫差對于鍋筒熱應力場分布的影響，但是將每一種溫差所產生的熱應力又進行了單獨分析，忽略了各種溫差所產生的相對應的熱應力之間的交互作用

33、[14,15]。J.Taler 建立了一種計算在鍋爐運行過程中鍋筒瞬態(tài)熱應力的方法，這種方法的前提是必須以鍋爐運行期間鍋筒壁溫度場的空間分布及時間分布為依據，才能通過計算得到鍋筒熱應力場分布[16]。Isreb M.和 Kim T.S.對鍋爐啟動過程中的升溫速率等方式進行了設計優(yōu)化，減小了在啟動過程中由于鍋筒壁溫差而產生的熱應力[17,18]。</p><p>　　1.3 本文主要研究內容</p>

34、<p>　　本文以給定鍋爐的鍋筒作為研究對象，對其溫度場及熱應力場分布規(guī)律進行研究分析，具體研究內容如下：</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，并施加相應的約束和載荷，對鍋爐正常運行工況下鍋筒的溫度場和熱應力場進行分析計算，得到鍋爐鍋筒在穩(wěn)定工況下的溫度云圖和熱應力云圖。具體工作包括以下幾個方面：(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其內部的溫度場分布規(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其內部的熱應力分布規(guī)律；(5)．計算分析鍋筒正常工作時的穩(wěn)態(tài)溫度場及穩(wěn)態(tài)熱應力分布規(guī)律，為評判鍋爐的安全狀況提供參考。</p><p

36、><b>　　2 相關理論基礎</b></p><p>　　2.1 有限元法介紹</p><p>　　有限元分析法是求解數學物理問題的一種常用的數值計算方法，有限元法剛開始在固體力學領域的使用比較頻繁，接著很快擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等其他的領域。</p><p>　　有限元法是使用數學（主要是數學近似）的方法對切實存在的物理系

37、統(tǒng)進行數據模擬。利用簡單而又相互影響的單元，然后使用有限個數的未知量去無限逼近未知量的真實系統(tǒng)。</p><p>　　有限元模型得實質就是真實存在的系統(tǒng)理想化的數學數據。它把整體結構劃分為有限個單元，然后利用單元的一些特性，對單元進行分析；再把這有限個離散單元集合還原成統(tǒng)一的結構，再分析離散結構的性能。劃分的單元大小和數目會根據軟件所確定的計算精度和計算的機能力來確定。如圖2.1梯子的真實系統(tǒng)和有限元模型以及圖2

38、.2 齒輪有限元模型。</p><p>　　真實系統(tǒng) 有限元模型</p><p>　　圖2.1 梯子的真實系統(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、把表示物體結構或者連續(xù)物體的求解域離散為幾個單元，然后通過他們邊界節(jié)點之間的關系組合成一個整體（組合體）；?2、單元分析，也就是對于每個獨立的單元，用標準的方法提出一個近似解；?3、把所有單元按照標準方法組合成一個與原有系統(tǒng)比較接近的系統(tǒng)，也稱作整體分析。</p><p>　　工程技術中有很多問題都可以根據他們的物理特點，建立各自的微分方程及相應的邊界條件，其中比較簡單的一般只有幾何形狀和邊界

40、條件，有時候微分方程的類型也會比較簡單，但是用解析方法求不出工程技術上問題的精確解，于是相關研究人員尋求近似解來代替解析解。</p><p>　　有限元法具備很多優(yōu)點，如下： 1、對于復雜幾何構型的適應性；</p><p>　　2、對于各種物理問題的適用性；</p><p>　　3、建立于嚴格理論基礎上的可靠性；</p><p>　　4、

41、適合計算機實現的高效性。</p><p>　　總之，有限元法已經被公認為最有效的應力分析工具，并且受到了相關研究人員重視和廣泛應用。</p><p>　　2.1.1 ANSYS分析的基本過程</p><p>　　ANSYS分析過程包含3個主要的步驟：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、基本過程</p><p>　　前處理 前處理是指建立實體模型和有限元模型。它包含：創(chuàng)建實體模型，定義單元屬性，劃分有限元網格，修正模型等。</p><p><b>　　加載并求解</b></p><p>　　將劃分好網格的三維模型加載入ANSYS軟件，然后進行類型定義，確定研究類型、材料特性以及溫度等相關屬性。3．后處理 將第二

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

44、個理論是最早的強度理論，又稱第一強度理論。提出這個理論的根據是：如果作用在構件上的外力很大，那么它危險點位置的材料就會沿著最大拉應力所處的截面發(fā)生脆斷破壞。這個理論對于脆斷原因所做的假說是：最大拉應力是引起材料脆斷破壞的因素；也就是不管在什么應力狀態(tài)下，只須構件內某點處的幾個主應力中最大的拉應力到達或者超過材料的極限值，材料在該處就會發(fā)生脆斷破壞。至于材料的極限值則可由通過任意一種使試件發(fā)生破壞的實驗來確定。</p>&l

45、t;p>　　在簡易的拉伸試驗中，如果令三個主應力中的兩個為零，那么最大主應力便是材料橫截面上的拉應力，但這個應力達到材料的極限強度時，試件就斷裂。所以，依據第一強度理論，經過簡易的拉伸試驗，便可以得知材料的極限應力就是。于是在復雜應力狀態(tài)下，材料的破壞條件是 </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　考慮安全系數以后的強度條件是&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度特性。 </p><p>　　2.最大伸長線應變理論 最大增長線應變理論習慣上稱第二強度理論。這一強度理論的根據是：如果作用在材料上的外力很大，那么它危險點處的材料就會沿最大增長線應變的方向發(fā)生脆斷破壞。這一理論對脆斷原因所做的假說

47、是：最大伸長線應變是引起材料脆斷破壞的因素；即不管在如何的應力狀態(tài)下，只需材料內某點處的達到或超過材料的極限值，材料就會在該處發(fā)生脆斷破壞。與前述道理相同，材料的極限值則可通過任意一種使試件發(fā)生脆斷破壞的實驗來確定。材料的脆斷破壞條件為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中，是單向拉伸試件在拉斷時其橫截面上的正應力。在復雜應力狀態(tài)

48、下一點處的最大線應變?yōu)?</p><p><b>　　（2.4） </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就可以得出材料的容許拉應力。所以對危險點位置于比較復雜的應力狀態(tài)下的構

49、件，按第二強度理論所建立的強度條件是：</p><p><b>　　（2.6）</b></p><p>　　3．最大剪應力強度理論</p><p>　　最大剪應力理論一般又可以稱之為第三強度理論。提出這個理論的根據是，如果施加在構件上的外力很大，那么它危險點位置的材料就會沿著最大剪應力所處的截面發(fā)生滑移而產生屈服破壞。這一理論在對屈服破壞原因所

50、做的假說是：最大剪應力是引起材料屈服破壞的因素；即不論在什么應力狀態(tài)下，只須構件內某點的最大剪應力達到或者超過材料的極限值，這點的材料就會發(fā)生屈服破壞。至于材料的極限值可以通過任意一種使試件發(fā)生屈服破壞的試驗來確定。至于低碳鋼這類型材料，在單方向拉伸試驗過程中，材料的屈服現象就是因為它沿斜截面發(fā)生滑移而出現的。這時候試件在橫截面上的正應力便是構件的屈服點，而在試件斜截面上的最大剪應力(即45º斜截面上的剪應力)等于橫截面上正應

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

52、;/p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中，和分別為這個應力狀態(tài)中的最大主應力和最小主應力。所以</p><p><b>　　（2.10）</b></p><p>　　將式（2.10）右邊的除以安全系數即得材料的允許拉應力，所以對危險點位于復雜應力狀態(tài)的結構，依據第三強度理

53、論所建立的強度條件是：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　在應力分析中，通常稱為應力強度，第三強度理論的缺點是沒有考慮中間主應力，對材料屈服的影響。</p><p>　　4.形狀改變比能理論</p><p>　　這一理論通常也稱為第四強度理論。它對屈服破壞原因所做的假說是：設形狀改變比

54、能是引起材料屈服破壞的因素；即不論構件處于如何的應力狀態(tài)，只要結構內某點位置的形狀改變比能超過或者達到材料的極限，構件的這個位置就會發(fā)生屈服破壞。</p><p>　　構件在外力作用下蓄積的形狀改變比能ud，可以如下的公式進行計算：</p><p>　　（2.12） </p><p>　　在簡單拉伸條件下，試件發(fā)生屈服時，將，代入上式，材料的形狀改變比能極限

55、值應為：</p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　于是根據第四強度理論，復雜應力狀態(tài)下材料出現屈服破壞的條件是ud=udjx，即：</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　即 （2.15）</p>

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

57、t;p>　　因為物體運動狀態(tài)不同，所以分析并確定其應力分布的方法也有所差別。在材料力學中，對于靜定問題的分析一般都采用“截面法”，“截面法”是把物體按要求截開，利用靜力平衡，根據外載荷的情況，確定截面上的內力，再根據一定的假設求出截面上各點的應力。而對于材料力學中的靜不定問題的分析，除了需要運用“截面法”外，還需要再引入簡單的幾何方程才能確定出所求物體的應力分布。這種方法比較理想，對于工程中遇到的很多實際問題，以上材料力學中的方法

58、便不能很好地解決，或者說，需要花費很大的物力人力才能解決，得不償失，工程上也不允許。例如：厚壁容器在承受內壓或溫差時的應力與變形、容器開孔等問題。這些問題中物體的載荷與結構大部分都是隨著空間三個方向而變化的，即三維而不是一維或者二維問題；其應力和變形也常常是空間坐標的函數，在力學上屬于三維問題。在解決這類問題時，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力分布情況。要弄清楚它的應力分布情況，就必須綜合考慮它的結構的靜

59、力、幾何、物理等各個方面的條件。此時使用彈性力學的分析方法就比較好，彈性力學采用了與材料力學不同的分析方法--無窮小量分析，經過實踐證明，</p><p>　　2.3.1 彈性力學基本方程</p><p><b>　　1．平衡方程</b></p><p>　　彈性體中的微單元體上的正應力和剪應力，滿足平衡方程(2.17)。在式中，分別為單位體積

60、上的應力在三個坐標軸方向的分量。</p><p>　　根據剪應力互等定理：，，。</p><p>　?。?.17） </p><p><b>　　2．幾何方程</b></p><p>　　彈性體任意一點的應變和沿各坐標軸方向的位移，滿足幾何方程：</p><p><b>

61、;　?。?.18）</b></p><p>　　為保證物體變形后連續(xù)，各應變分量之間尚需滿足應變協(xié)調方程：</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　3．物理方程： 對各向同性材料來說應力和應變之間滿足物理方程：</p><p><b>　?。?.20）</

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

63、，而且溫度分布還會隨著時間發(fā)生變化。所以，這些圓筒形鍋爐部件在受熱時不僅產生熱變形，而且還會由于相鄰金屬的約束而產生熱應力。如果此時物體所產生的熱應力仍在相應材料的彈性范圍內，那么此熱應力和由它所引起的熱應變仍服從胡克定律。對鍋爐的圓筒形承壓部件來說，有時會受到外力及溫度變化的雙重作用力，要解決這類熱彈性力學問題，則需要按疊加原理把熱應力的解與通常彈性力學的解疊加起來，本節(jié)忽略物體的體積和外力的作用，只考慮溫度的作用，以突出熱應力問題。

64、</p><p>　　在有的三維問題分析中，因為存在溫度場的影響，所以物質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變由兩部分組成：第一部分是由熱應力引起的服從虎克定律的彈性范圍內的應變；第二部分是由于溫度變化引起的自由膨脹或收縮的初應變，

65、這部分應變與應力無關。對于鍋爐的汽包、聯箱等部件來說，其幾何形狀都是圓筒形的，因此這些方程在圓柱坐標系下表示更為方便。在圓柱坐標中，取圓筒的軸線z為對稱軸。對于這類軸對稱部件的熱應力，若溫度分布與坐標 無關，只是坐標和的函數，即，則這時可簡化為以和為自變量的二維問題來解。這類問題不計體積力，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>　?。?.23）</b></p><p>　　用應變表示應力的物性方程式為：</p><p><b>　?。?.24）</b></p><p>　　若溫度分布沿圓

67、筒軸線方向也無變化，且是軸對稱的，只是坐的函數，則產生的熱應力也必然是軸對稱的，即應力分量與和無關，也只是坐標的函數。鍋爐中的圓筒形部件一般也可以看成是這種軸對稱溫度分布問題[22]。</p><p>　　2.4 熱應力介紹</p><p>　　熱應力是物體溫度發(fā)生變化時，物體因為外在約束和內部各部分之間的彼此約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力，又可以叫做變溫應力。具體來說就是，工程

68、和科技裝置中同時承受外力和高溫作用的部件，例如鍋爐、汽輪機、燃氣輪機、內燃機、核動力裝置及火箭、高速飛行器等。</p><p>　　前面提到過，零件在外力作用下會發(fā)生變形，同時在內部產生應變和應力。我們所了解的材料力學和彈性力學就是研究物體在受外力作用下其內部應力、應變和變形之間關系的科學。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為熱變形。自然現象中的熱

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，物體內部不一定會產生應力；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才會在內部產生熱應力。例如一根長度為，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，它在長度和直徑方向的伸長量分別為及，它在長度和直徑方向的應變?yōu)椋?lt;/p><p>　?。?.25）

70、 </p><p>　　也就是，該金屬棒的溫度由升至時，各個方向的應變均為：</p><p><b>　?。?.26）</b></p><p>　　式中：為材料的膨脹系數，它隨材料的不用而不同，并且受溫度影響，但是當溫度變化不大時，可視為常數。<

71、/p><p>　　熱應力是因為溫度變化引起物體的膨脹或者收縮受到約束才產生的，而約束作用大致可以歸納為三類：外部變形的約束、內部各部分之間變形的約束和相互變形的約束。</p><p>　　舉個外部變形的約束的例子：假定一個各向同性的立方體邊長為1cm，因為受熱勻稱而自由膨脹或者因為均勻冷卻而自由收縮時，該立方體會在長、寬、高三個方向產生同樣的伸長或者收縮，即該立方體僅僅有縱向變形，而無剪切變形

72、，此時該長方體內部照樣會有熱應力產生。</p><p>　　在內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部產生熱應力時所受到的約束。因為，在這種情況下，雖然物體不受外力作用，但是由于物體內部各處的溫度不同，因此物體內每一部分因受到相鄰部分的影響而不能自由伸縮，此時，物體內部也會產生熱應力。</p><p>　　第三種情況就是零件相互變形的約束。因為構件是由若干不同材料的零件組合

73、起來的，所以即使構件受到相同的加熱或冷卻，但由于各種零件的膨脹系數不同，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，從而各自產生不同的熱應力。</p><p>　　以上的討論可歸納得出：物體溫度產生變化，由于它和不能自由伸縮的其他物體之間或著該物體內部各部分之間因為相互約束所產生的應力稱為熱應力。這是一種非外力作用引起的應力，導致熱應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、以及內部各部分之間變形的約束。</p><p><b>　　2.5 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了近幾年發(fā)展起來的一種數值（模擬）計算方法--有限元法，這是一種根據變分原理求解數學、物理問題的算法。 四大強度理論：最大拉應力理論、最大伸長線應變理論、最大剪應力強度理論和形狀改變比能理論。彈性力學的最基本的平衡微

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

76、</b></p><p>　　內壓作用下圓筒壁各點應力見表3.1：</p><p>　　表3．1 內壓下圓筒壁中的應力</p><p>　　3.2 鍋筒圓筒熱應力</p><p>　　因為鍋爐鍋筒在一定的溫度環(huán)境下工作，所以溫度變化會導致材料的膨脹和收縮，假如鍋筒外面的約束或著內部的變形條件而使它的膨脹或收縮不能自由發(fā)生時，在它的

77、構件中就會產生附加的應力，這個應力也稱作熱應力。</p><p>　　熱應力的求解一般分為兩步：第一步，知道問題的初始條件、邊界條件，利用相關公式，如熱傳導微分方程，進行計算，最后得物體（鍋爐鍋筒）的溫度場；第二步，按照前面提過的彈性力學的基本方程求解出物體的熱應力。</p><p>　　舉例來說，已知條件：內半徑為，外半徑為b的厚壁圓筒，如果該圓筒的兩端自由且絕熱，圓筒內沒有熱源，內壁溫

78、度為，外壁溫度為。那么該圓筒容器內任一半徑處的溫度分布可以表示為[24]:</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　而厚壁圓筒的熱應力分布則需要利用平面軸對稱熱應力問題一般解法來求：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　其中： 熱

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

80、<p><b>　　（3.5）</b></p><p><b>　　3.3 本章小結</b></p><p>　　本章主要對鍋爐鍋筒和有關容器開孔進行了力學分析和熱應力分析，并列出了圓筒容器的溫度分布、熱應力分布公式和圓筒的最大應力值公式。</p><p>　　4 鍋爐鍋筒壁溫、熱應力 ANSYS 數值模擬分析

81、</p><p>　　4.1 鍋爐鍋筒幾何實體模型建立</p><p>　　實際鍋爐鍋筒的內部組件數量較多，而且結構復雜，在分析過程中會產生很多難以計算或確定的因素，這些因素在一定程度上會對鍋筒內部的汽水流動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，在分析過程中不僅會占用很多計算機存儲空間，增大計算量，耗費大量的時間，而且很會使研究成本增高。而且即使將這些因素全都考慮進來也不

82、能保證計算所得出的鍋筒溫度場分布及熱應力場分布是準確無誤的。因此，在對鍋爐鍋筒進行ANSYS 數值模擬分析的時候，需要根據鍋筒本身的結構尺寸和受熱特性，對鍋筒的結構以及邊界條件進行合理的簡化處理，具體過程如下：</p><p>　　因為鍋爐鍋筒的筒體區(qū)域和封頭部分的壁厚存在差異，導致連接處是一</p><p>　　構不連續(xù)的幾何體，因此會在這部分產生應力集中的情況。但因為僅僅是局部加強，所

83、以在鍋爐鍋筒幾何實體建模的過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、水冷壁及對流蒸發(fā)管束等，這些部件的孔徑尺寸和伸出長度存在一定的偏差。但是因為鍋筒的連接管束在鍋筒內部伸出部分比較短，對其內部的汽水流動規(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。而且根據管束向外延伸長度對于名義應力分布規(guī)律的影響，一般采用管束向外伸出自身外徑2倍的長度那一部分研究。</p

84、><p>　?。?）因為鍋筒的連接管束和鍋筒本身的連接方式是機械脹接，而機械脹接的連接效果又會對鍋筒的性能有一定的影響。通過以前的一些研究資料可以發(fā)現，要使脹接效果達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，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到較高狀態(tài)。因此，假設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整體，這樣可以在一定程度上簡化計算。</p>

85、;<p>　　（4）因為鍋筒內部裝置（如汽水分離器、排污器等）和鍋筒內部工質本身具有的重量對鍋筒溫度場分布和熱應力場分布規(guī)律的影響不是很大，所以忽略鍋筒自身重量、鍋筒內部裝置重量、筒內工質重量和由此帶來的鍋筒下部反支力。</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，在對鍋筒壁溫及應力進行數值模擬分析時，通過實驗

86、數據可以發(fā)現鍋筒周向溫度存在溫度差異。給定鍋爐鍋筒的設計壓力為6.5MPa，溫度為260℃。給定鍋爐物性參數和材料特性參數見表4.1和表4.2。</p><p>　　表4.1 給定鍋爐的物性參數</p><p>　　表4.2 材料特性參數</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>　　對內壓作用下的圓筒體，通常以相鄰兩個管孔邊緣距離是否小于(R為簡體半徑，S為簡體厚度)為標準來判斷管孔是否互相影響，本計算模型相鄰管孔節(jié)距較小，應力相互影響，應按實際尺寸建模，不能省略個別管孔[25]。 </p><p>　　本文采用ANSYS軟件實體建模功能創(chuàng)建鍋筒的實體模型，采用混合法從底部往上和從頂部向下的實體建模方法，建立了給定鍋爐鍋筒和與它相

88、連的連接管道的簡化幾何實體模型，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 鍋筒的三維模型</p><p><b>　　4.2 網格劃分</b></p><p>　　在ANSYS軟件數值模擬進行的過程中，因為所施加的溫度壓力載荷沒有直接加載到幾何有限元模型上，是通過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)點和單元上。所以，在建立了鍋

89、筒的幾何實體模型后，開始進行劃分網格，并生成節(jié)點以及單元格。</p><p>　　4.2.1 單元類型的選取</p><p>　　本文采用和分析相對應的 SOLID 70 單元(見圖4．2)，該單元沒有中間節(jié)點，SOLID 70通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點都有沿著xyz 3個方向平移的自由度。</p><p>　　圖4．2 SOLID 70 單元</p>

90、<p>　　4.2.2 鍋筒模型的網格劃分</p><p>　　因為汽包結構復雜，所以對鍋筒模型進行網格劃分的時候僅選取鍋筒本身、下降管和一個對流管束進行網格劃分，劃分結果如圖4.3所示。鍋筒模型（除去下降管和對流管束 ）共劃分了565136個單元。</p><p><b>　　圖4.3 網格圖</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>　　根據相關結構與載荷的對稱性特點，一般在對稱面上施加的約束為對稱約束，由于熱應力不會導致鍋筒剛體移動，因此沒有在鍋筒上施加X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會受到爐膛的輻射換熱影響。查看常壓鍋爐船用實測數據，取鍋筒壁和下降管溫度見表4.3。</p><p>　　表4．3 鍋筒內外壁溫度（單位：℃）</p><p><b>　　4.4 結果分析</b></p><p>　　4.4.1 穩(wěn)態(tài)溫度場結果分析&l

93、t;/p><p>　　在對給定鍋爐進行三維建模并施加相應的溫度載荷后，通過ANSYS軟件的計算可以得出如圖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，而在中間有一個不規(guī)則的溫度過度區(qū)域。</p><p

94、>　　4.4.2 穩(wěn)態(tài)熱應力場結果分析</p><p>　　熱應力場一般比機械應力場復雜，這個系統(tǒng)的最大應力位置出現在鍋筒外壁和對流管束以及鍋筒外壁和下降管相連處稍微偏里一點。這是因為鍋筒溫度場比壓力場復雜，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，而對于鍋筒上壁來說，則是內壁溫度比外壁高。汽包上壁受到了拉應力，而下壁受到了壓應力[26]。</p><p>　　在

95、對給定鍋爐進行三維建模并施加相應的對稱面約束和壓力載荷后，通過ANSYS軟件的計算和分析可以得出如圖4.5的熱應力云圖。 </p><p>　　圖4.5 鍋筒（除去下降管和對流管束）的熱應力云圖</p><p>　　從圖中看出應力，在各管束與鍋筒壁相交的地方出現了應力集中，這是因為鍋筒溫度升高時，鍋筒沿軸向膨脹相對于徑向要大。而鍋筒本身由于大量管孔的存在，鍋筒壁強度被削弱，因此在有孔的地

96、方出現了應力集中。</p><p>　　在鍋筒兩側的水位波動區(qū)，因為存在溫度梯度，會出現比較大的熱應力。熱應力從鍋筒內壁到外壁的熱應力會先逐漸增加，在應力達到最大值后開始下降，這是因為管束的外伸部所受的約束比較小，產生的溫差也小，所以熱應力也會比較小?？梢姡佂仓袩釕﹀佂驳陌踩阅苡绊戄^大，所以鍋爐在運行過程中要時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</b></p><p>　　本章對鍋筒進行了穩(wěn)態(tài)的熱分析、熱應力的分析計算。可以得到熱應力對鍋筒的安全性影響很大，所以在鍋爐運行時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 論</b></p><p>　　本篇文章擬采用強度分析理論，利用了有限元分析

98、軟件ANSYS，建立給定鍋爐鍋筒的模型，并對鍋筒的穩(wěn)態(tài)的溫度場、熱應力進行了分析計算并得出相應的云圖，通過對鍋筒穩(wěn)態(tài)溫度場和穩(wěn)態(tài)熱應力場的分析而得出結論，進而為確定增壓鍋爐所需要的最優(yōu)啟動和變負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，應力集中出現的位置一樣，不過增壓鍋爐管孔節(jié)距較小，應力值一般比常壓鍋爐要大。</p><p>　　因為鍋筒上下壁溫

99、差對鍋筒的安全運行影響很大，所以在設計鍋筒的過程中，不能僅僅只考慮由壓力引起的機械應力，還要考慮鍋筒上下壁溫差引起的熱應力，進而合理的利用熱應力和機械應力進行相互削弱，從而更好的達到鍋爐鍋筒的安全要求；在鍋爐運行的啟停過程中，務必要遵守安全守則，并嚴格控制鍋筒上下壁之間的溫差。</p><p>　　本篇文章對增壓鍋爐整個鍋筒模型的熱應力溫度場進行了有限元計算分析，并得出了相應的結果。論文還有很多不足之處，需

100、要以后作進一步的分析和研究：</p><p>　　1、沒有考慮倒角的存在。</p><p>　　2、只考慮了內外壁的溫度場，沒有考慮溫度沿軸向的變化。</p><p>　　3、沒有考慮各管束與鍋筒壁的連接方式。</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展可以一步步把這些問題考慮進去。</p><p><b>　

101、　致謝</b></p><p>　　四年的學習生涯將要畫上句號，而在論文寫作的過程中，從論文的選題到確定思路，從資料的搜集、提綱的擬定到內容的寫作與修改，繼而諸多觀點的梳理，都得益于我的導師——王軍老師的悉心指導和匠心點撥。</p><p>　　老師在畢業(yè)設計上給予了我們悉心的指導。王軍老師在論文的點評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。老師淵博的學識，敏銳

102、的學術洞察力，嚴謹的治學態(tài)度，一絲不茍的負責精神給予了我極其深刻的印象，讓我受益匪淺。在此，謹向王老師表示我最衷心地感謝和最誠摯的敬意。</p><p>　　同時，也向四年來所有教導過我和幫助過我的各位老師表示感謝，感謝您們對我的諄諄教誨、耐心指導和無私的幫助。感謝我的同學和朋友們，感謝你們在我論文寫作過程中給予我的鼓勵、關心和無私的幫助。</p><p>　　最后，衷心地感謝我的家人，感

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

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