基于变形引伸和放大的高温变形传感装置的研究

发布时间：2018-05-23 19:00

  本文选题：高温变形 + 引伸计　； 参考：《华东理工大学》2013年博士论文

【摘要】：石油、化工、电力、冶金等过程工业装置中的压力容器与管道长期处于高温环境,不可避免地会发生不可恢复的变形。为了保证装置的安全性,变形监测是最为直接、可靠的方法。因此,本文根据高温结构变形的特点,设计了两种能够在高温环境下长期稳定可靠工作的高精度变形监测传感装置并对其性能进行了研究,研究内容和成果如下： 根据高温结构变形特点以及安装要求,设计并加工了两种可用于长期监测高温结构变形的引伸传感装置：双肩式高温构件变形监测传感装置和高温构件局部变形监测传感装置。在实验室的常温试验中,将所设计的两种传感装置安装在被测试件上,通过将传感装置测量值与参考传感器测量值作对比分析并验证了装置的测量精度。 针对高温结构服役过程中变形极其微小的特点提出,将引伸传感装置与位移放大机构集成,来提高传感装置的性能。现有的三种微位移放大机构中,桥式机构具有体积小、输出线性、位移放大比高的优点,因此基于桥式机构并结合引伸传感装置结构的特点,设计了应用于高温结构变形监测传感装置的桥式位移放大机构。机构中的变形元件采用柔度大、精度高的圆形柔性铰链。所设计的机构具有结构紧凑、体积小巧、位移放大倍数高、输出精度高等优点。为了得到所设计机构的放大倍数,首先从几何结构关系推导出了桥式放大机构的位移放大倍数设计公式,结果表明在不考虑变形的情况下,机构的位移放大倍数仅与两个铰链间的相对位置有关。再采用伪刚体模型推导出了弹性变形条件下放大机构的理论放大倍数设计公式,所得到的结果表明,在考虑弹性变形条件下,桥式机构的放大倍数设计公式的计算精度取决于机构中柔性铰链刚度的计算精度。 为了得到精确的柔性铰链的刚度计算公式,采用三维有限元模拟对圆形柔性铰链现有的五种刚度设计公式(PW(full), PW(Simp), WZ, Lobontiu, Tseytlin和Smith)在2≤b/t≤12,0.1≤t/R≤0.6范围内进行误差分析。分析结果表明：现有的圆形柔性铰链设计公式的计算精度不仅与t/R有关,还与b/t有关,因此不能用二维有限元模型或者单一厚度的模型来模拟铰链的性能；PW(full)、WZ和Lobontiu三者的圆形铰链设计公式在上述尺寸范围内的计算结果是完全相同的。根据误差分析结果和所设计柔性铰链的几何尺寸,铰链转动刚度以及x方向上的平移刚度的计算公式分别选择Smith与PW(Simp)的设计公式。将其代入所推导的位移放大倍数设计公式后得到机构在弹性变形条件下的理论放大倍数。将其与有限元模拟结果作对比后发现,最大误差小于2%,证明所选用的铰链设计公式是正确的,且推导的放大倍数设计公式是精确的。 为了让所设计的位移放大机构具有更大的使用范围,使其能够应用在柔性铰链发生大变形的情况下,对机构进行大变形分析。机构仍然采用伪刚体模型进行简化,再利用最小势能原理对位移放大机构进行大变形分析计算。分析过程中发现,在大变形的情况下,柔性铰链的转动刚度会发生变化而不再是一常数,因此通过ANSYS对所设计机构中的圆形柔性铰链在大变形下的转动刚度进行了分析,得到了机构中柔性铰链的弹性工作范围以及不同偏转角下的转动刚度,并运用最小势能原理进行计算验证。在柔性铰链尺寸不变的情况下,对六个不同l与b值的桥式机构进行大变形分析,并将有限元分析结果与最小势能原理计算结果进行对比,最大误差小于6%,证明计算分析结果是可靠的且最小势能原理能够应用于桥式机构的大变形分析。后续的实验室试验验证了上述结论。最后,将一个安装有位移放大机构的传感装置与一个没有安装位移放大机构的传感装置同时安装在标定仪上进行试验,验证了位移放大机构的引入对装置测量结果的影响以及可行性。 为了验证所设计引伸传感装置在高温环境下的测量精度以及长期稳定性,将传感装置安装在火电厂的高温管道上进行试验。通过与有限元模拟结果以及现有的商业高温应变片对比验证了所设计装置在高温下的测量精度。6000小时的现场高温示范应用验证了所设计装置具有在高温环境中持续工作的长期可靠性。利用装置所测得的管道变形速率并根据Monkman-Grant关系计算了直管段和弯管段的剩余寿命。
[Abstract]:In order to ensure the safety of the device , the deformation monitoring is the most direct and reliable method . In order to ensure the safety of the device , the deformation monitoring is the most direct and reliable method .

According to the deformation characteristics of the high temperature structure and the installation requirements , two kinds of extension sensing devices which can be used for the long - term monitoring of the deformation of the high temperature structure are designed and processed : the double - shoulder high - temperature component deformation monitoring sensing device and the high - temperature component local deformation monitoring sensing device are designed and processed .

In order to obtain the amplified multiple of the design mechanism , the design formula of the displacement amplification factor of the bridge - type amplifying mechanism is deduced from the relation between the geometrical structure and the geometrical structure . The results show that the calculation accuracy of the amplification factor design formula of the bridge mechanism depends on the calculation accuracy of the flexible hinge stiffness in the mechanism .

In order to obtain the accurate calculation formula of flexible hinge , three - dimensional finite element method is used to simulate the existing five stiffness design formulas ( PW ( full ) , PW ( Simp ) , WZ , Lobontiu , Pengytlin and Smith in the range of 2 鈮，

本文编号：1925944