压力容器热力耦合的有限元分析

发布时间：2017-08-16 22:20

  本文关键词：压力容器热力耦合的有限元分析

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【摘要】：压力容器是用于完成反应、传质、传热、分离和储存等生产工艺过程并能承受压力载荷的一种密闭容器,被广泛应用于石油化工、动力、核能、机械制造等工业技术领域。因其通常在波动温度条件下使用,所以除了承受机械应力外,还要承受由于温度分布变化而产生的热应力。尤其是在启停过程中的瞬态温度变化明显,这种循环热应力可能达到相当的数值,足以使压力容器产生过量的塑性变形或疲劳断裂破坏。因此,深入研究容器结构的温度场、耦合热应力以及部件间的热传递规律具有重要的理论意义和工程价值。本文以实际容器结构为例,结合有限单元法建模要求,合理简化后建立了压力容器的三维有限元计算模型。利用顺序耦合法模拟了钢制压力容器和非均匀材料压力容器的启停过程,最终分别得到整体结构的温度变化和耦合热应力。然后根据数值仿真结果,结合相关行业规范,判定了压力容器各部件的安全状况,给出了结构耦合热应力的变化规律,给出了主螺栓上的应力状态,并比较了两种压力容器传热的差异以及耦合热应力的差异。本文的研究模拟了真实的工程结构,给出了比较精确的数值模拟结果,对实际工程具有重要的指导作用。根据数值模拟结果,得出以下结论:(1)在特定工况下,钢制压力容器启动时各部件的耦合热应力值偏大,以致顶盖和接管段已经局部破坏,主螺栓、主螺母出现塑性变形;停止时,钢制压力容器顶盖出现塑性变形,接管段已经局部破坏,螺栓和主螺母处于安全应力状态。而非均匀材料压力容器在启动、停止过程中,各部件的耦合热应力值均比较小,且各部件均处于安全应力状态。(2)在热传导过程中,钢制压力容器的传热速度较快,非均匀压力容器的传热速度较慢,非均匀材料的隔热性能较好。(3)在启动过程中,两种压力容器结构耦合热应力值随壁厚方向上升,而在停止过程中,两种压力容器结构耦合热应力值随壁厚方向下降。两种压力容器的耦合热应力值在环向上均保持轴对称。(4)给出了两种压力容器启停过程主螺栓上的轴力和弯矩的精确数值,为压力容器主螺栓的设计和安全校核提供了理论依据。
【关键词】：压力容器 瞬态温度场 耦合热应力 有限单元法
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH49
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 国内外相关研究现状综述11-16
• 1.2.1 压力容器热应力的研究11-14
• 1.2.2 非均匀材料在压力容器中的应用14-16
• 1.3 本课题的研究内容16
• 1.4 本课题的创新点16-17
• 第2章 热传导问题的有限元分析17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 热传导数值分析的意义及可靠性17-18
• 2.3 不同材料中的热传导18-21
• 2.3.1 各向同性材料中的热传导18-19
• 2.3.2 各向异性材料中的热传导19-21
• 2.4 热传导问题的有限元法分析方法21-25
• 2.4.1 三维瞬态温度场问题的一般表达格式21-22
• 2.4.2 瞬态热传导有限元的一般格式22-23
• 2.4.3 弹性热应力问题的有限元方程23-25
• 第3章 压力容器的有限元模型25-32
• 3.1 问题描述25-26
• 3.2 有限元模型的建立26-31
• 3.2.1 模型简化27
• 3.2.2 材料参数27-29
• 3.2.3 部件之间的接触设置29-30
• 3.2.4 网格划分及单元设置30-31
• 3.2.5 模型边界条件及载荷31
• 3.3 本章小结31-32
• 第4章 钢制压力容器的耦合热应力分析32-43
• 4.1 引言32
• 4.2 升温过程耦合热应力的计算32-38
• 4.2.1 瞬态温度场的计算32-34
• 4.2.2 耦合热应力的计算34-35
• 4.2.3 计算结果与分析35-38
• 4.3 降温过程耦合热应力的计算38-42
• 4.3.1 瞬态温度场的计算38-39
• 4.3.2 耦合热应力的计算39-40
• 4.3.3 计算结果与分析40-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第5章 非均匀材料压力容器的耦合热应力分析43-54
• 5.1 引言43-44
• 5.2 升温过程耦合热应力的计算44-49
• 5.2.1 瞬态温度场的计算44-45
• 5.2.2 耦合热应力的计算45-46
• 5.2.3 计算结果与分析46-49
• 5.3 降温过程耦合热应力的计算49-53
• 5.3.1 瞬态温度场的计算49-50
• 5.3.2 耦合热应力的计算50-51
• 5.3.3 计算结果与分析51-53
• 5.4 本章小结53-54
• 总结与展望54-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-60
• 攻读硕士学位期间发表的论文60

【参考文献】

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本文编号：685847