本文關鍵詞：壓力容器熱力耦合的有限元分析

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【摘要】：壓力容器是用于完成反應、傳質、傳熱、分離和儲存等生產工藝過程并能承受壓力載荷的一種密閉容器,被廣泛應用于石油化工、動力、核能、機械制造等工業(yè)技術領域。因其通常在波動溫度條件下使用,所以除了承受機械應力外,還要承受由于溫度分布變化而產生的熱應力。尤其是在啟停過程中的瞬態(tài)溫度變化明顯,這種循環(huán)熱應力可能達到相當?shù)臄?shù)值,足以使壓力容器產生過量的塑性變形或疲勞斷裂破壞。因此,深入研究容器結構的溫度場、耦合熱應力以及部件間的熱傳遞規(guī)律具有重要的理論意義和工程價值。本文以實際容器結構為例,結合有限單元法建模要求,合理簡化后建立了壓力容器的三維有限元計算模型。利用順序耦合法模擬了鋼制壓力容器和非均勻材料壓力容器的啟停過程,最終分別得到整體結構的溫度變化和耦合熱應力。然后根據數(shù)值仿真結果,結合相關行業(yè)規(guī)范,判定了壓力容器各部件的安全狀況,給出了結構耦合熱應力的變化規(guī)律,給出了主螺栓上的應力狀態(tài),并比較了兩種壓力容器傳熱的差異以及耦合熱應力的差異。本文的研究模擬了真實的工程結構,給出了比較精確的數(shù)值模擬結果,對實際工程具有重要的指導作用。根據數(shù)值模擬結果,得出以下結論:(1)在特定工況下,鋼制壓力容器啟動時各部件的耦合熱應力值偏大,以致頂蓋和接管段已經局部破壞,主螺栓、主螺母出現(xiàn)塑性變形;停止時,鋼制壓力容器頂蓋出現(xiàn)塑性變形,接管段已經局部破壞,螺栓和主螺母處于安全應力狀態(tài)。而非均勻材料壓力容器在啟動、停止過程中,各部件的耦合熱應力值均比較小,且各部件均處于安全應力狀態(tài)。(2)在熱傳導過程中,鋼制壓力容器的傳熱速度較快,非均勻壓力容器的傳熱速度較慢,非均勻材料的隔熱性能較好。(3)在啟動過程中,兩種壓力容器結構耦合熱應力值隨壁厚方向上升,而在停止過程中,兩種壓力容器結構耦合熱應力值隨壁厚方向下降。兩種壓力容器的耦合熱應力值在環(huán)向上均保持軸對稱。(4)給出了兩種壓力容器啟停過程主螺栓上的軸力和彎矩的精確數(shù)值,為壓力容器主螺栓的設計和安全校核提供了理論依據。
【關鍵詞】：壓力容器 瞬態(tài)溫度場 耦合熱應力 有限單元法
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH49
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 國內外相關研究現(xiàn)狀綜述11-16
• 1.2.1 壓力容器熱應力的研究11-14
• 1.2.2 非均勻材料在壓力容器中的應用14-16
• 1.3 本課題的研究內容16
• 1.4 本課題的創(chuàng)新點16-17
• 第2章 熱傳導問題的有限元分析17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 熱傳導數(shù)值分析的意義及可靠性17-18
• 2.3 不同材料中的熱傳導18-21
• 2.3.1 各向同性材料中的熱傳導18-19
• 2.3.2 各向異性材料中的熱傳導19-21
• 2.4 熱傳導問題的有限元法分析方法21-25
• 2.4.1 三維瞬態(tài)溫度場問題的一般表達格式21-22
• 2.4.2 瞬態(tài)熱傳導有限元的一般格式22-23
• 2.4.3 彈性熱應力問題的有限元方程23-25
• 第3章 壓力容器的有限元模型25-32
• 3.1 問題描述25-26
• 3.2 有限元模型的建立26-31
• 3.2.1 模型簡化27
• 3.2.2 材料參數(shù)27-29
• 3.2.3 部件之間的接觸設置29-30
• 3.2.4 網格劃分及單元設置30-31
• 3.2.5 模型邊界條件及載荷31
• 3.3 本章小結31-32
• 第4章 鋼制壓力容器的耦合熱應力分析32-43
• 4.1 引言32
• 4.2 升溫過程耦合熱應力的計算32-38
• 4.2.1 瞬態(tài)溫度場的計算32-34
• 4.2.2 耦合熱應力的計算34-35
• 4.2.3 計算結果與分析35-38
• 4.3 降溫過程耦合熱應力的計算38-42
• 4.3.1 瞬態(tài)溫度場的計算38-39
• 4.3.2 耦合熱應力的計算39-40
• 4.3.3 計算結果與分析40-42
• 4.4 本章小結42-43
• 第5章 非均勻材料壓力容器的耦合熱應力分析43-54
• 5.1 引言43-44
• 5.2 升溫過程耦合熱應力的計算44-49
• 5.2.1 瞬態(tài)溫度場的計算44-45
• 5.2.2 耦合熱應力的計算45-46
• 5.2.3 計算結果與分析46-49
• 5.3 降溫過程耦合熱應力的計算49-53
• 5.3.1 瞬態(tài)溫度場的計算49-50
• 5.3.2 耦合熱應力的計算50-51
• 5.3.3 計算結果與分析51-53
• 5.4 本章小結53-54
• 總結與展望54-56
• 致謝56-57
• 參考文獻57-60
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文60

【參考文獻】

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本文編號：685847