传热学与热应力基础.

PPTDESIGN热传导与热应力三级项目报告——裂解气压缩机蒸汽透平管道的热传导与热应力分析PPTDESIGN目录1裂解气压缩机蒸汽透平管道的热传导与热应力分析问题描述2材料参数：3管道应力分析的基本假设：4计算304不锈钢管道外壁温度：5计算304钢管温度场：6计算应力场：7Ansys应力应变分析结果：8结果分析：9参考文献：10感想总结：PPTDESIGN管道热应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道因热胀、冷缩、管道支承或端点的附加位移造成下列问题:管道热应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏;管道连接处泄露;管道推力和力矩过大,与其相连接的设备产生过大的应力或变形,影响设备正常运行。显然,管道热应力分析在配管布置阶段对其具有指导意义。1、问题描述PPTDESIGN1、问题描述裂解气蒸汽管道为内壁半径100mm，外壁半径140mm的304不锈钢管道，管道内流动有高温高压的裂解气体，管道内壁温度401℃且认为不变，所受压强为7.1MPa;管道外包裹一层超细玻璃纤维保温棉，厚度为40mm,保温棉外壁温度为30℃。整个状态处于稳态。两端加约束，平面应变，又因为在极坐标下轴对称问题可以简化为无热源、一维稳态温度场问题。PPTDESIGN2、材料参数304不锈钢弹性模量E=193GPa；泊松比μ=0.29；材料密度ρ=8030kg/m3。导热系数k=16W/(m℃)；管道外半径为R1=100mm；管道内半径R2=140mm；管道壁厚δ=40mm；管道水平长度L1=100PPTDESIGN2、材料参数玻璃棉保温管弹性模量E=2×109Pa材料密度ρ=20kg/m3泊松比μ=0.3热膨胀系数α=1.0×10-5导热系数k=0.043W/(m*K)比热容c=1386J/kgK厚度δ=40mmPPTDESIGN3、管道应力分析的基本假设在管道应力进行研究时，这就需要涉及到管道自身的因素，很多专家常常用的分析方法是只研究管道受到的主要应力的影响，忽略到不必要因素对管道的影响，从整体上提出很多的假设，将原有复杂的模型简易化，在这种简易化模型的情况下进行应力分析。这些基本假设是:(1)管道物质结构是连续的。(2)管道各个部分的密度是相同不变的。(3)管道所受各种载荷下是在屈服强度以内，所发生的形变也是弹性的。(4)管道在没加载前是不受任何应力的作用。PPTDESIGN4、计算304不锈钢管道外壁温度利用圆筒的稳定热传导理论求出管道外壁的温度值。根据已知公式：得所以q为热流密度,t1为管道内壁温度,t3为保温层外壁温度，λi为材料的导热率，ri+1为外壁半径，ri为内壁半径。由热流密度相等代入参数计算后得出管道的外壁温度t2≈399.7℃。niiiilrrttq1131)ln(21PPTDESIGN4、计算304不锈钢管道外壁温度solidworks热力分析图：PPTDESIGN总体温度场变化彩图PPTDESIGN总体温度场变化图表温度场变化彩图温度场变化图表PPTDESIGN5、计算温度场0tzt所以拉普拉斯导热微分方程方程在极坐标下表示成：0122drdtrdrtd即导热方程为：0)1(drdtrdrdPPTDESIGN5、计算温度场对上式进行俩次积分得：21lncrct边界条件为第一类边界条件：r=r1时，t=401℃r=r2时，t=399.7将边界条件带入（a）式得温度场：111221rrlnlnrr0.1ttt-t401-1.26401-3.74ln0.140.1rlnln0.1rPPTDESIGN5、计算温度场304钢管温度场分布彩图PPTDESIGN5、计算温度场304钢管温度场变化图表PPTDESIGN6、计算应力场在所求得的温度场中，该圆筒问题成为轴对称问题，根据轴对称问题的特点，建立该问题的应力数学模型如下（忽略玻璃棉对不锈钢管的压力）：平衡方程：几何方程：物理方程：PPTDESIGN6、计算应力场边界条件：1rr0.1m6r7.1102rr0.14m0r将物理方程代入平衡方程后再代入平衡方程并整理可得：drdTrrddrtrrr11将几何方程代入上式得：drdTrudrdurdrudtrrr11222PPTDESIGN6、计算应力场（前提：忽略保温棉对钢管的作用力）即：drdTrudrdrdrdtr11整理可得：rCrCdTrrurratr2111将上式代入几何方程再代入用应变表示的应力得：drTrrErCCEratr111112212PPTDESIGN•上述公式适用平面应力，只需将•代入上述公式，适用于平面应变问题的分析。对于积分，有0.10.1224013.74ln(4013.74ln)0.10.1201.4351.87ln2.014350.1rrrarrTrdrrrdrrrdrrrr22,,111EEPPTDESIGN•带入边界条件得：6122217.110111ECCadrTrbEbCCEbat222121111102550026649512.012221EbaTrdrEMaCbat222210.00006385708031111btaMETrdrbCEbaPPTDESIGN•将、带入、公式得1C2Cr121114759282614.599075230ln0.1rrrr=0.17113867rar=0.1413875.17rb12110222822.182614.599075230.7ln0.1rr并可得位移为rrrrrrrCrCdTrrurratr18030000638570.02550026649512.001465.21.0ln93.1465.2011102317.2408.011122521rrrr1105.51.0ln1006.61000.9753r=0.1ru=41000.9r=0.14ru=310261.1PPTDESIGNPara7113867Parb17.138750071000000rarbPa由和不满足边界条件假设存在外作用力1386713875.17abPPaPPa作用在边界上，可使满足边界条件。则特解。PPTDESIGN求通解根据弹性力学22222222222222222211abbPaPrabPPbaabbPaPrabPPbabaabbaabr代入数据PaPbPaPaba17.1387514.0138671.0得通解68.1388311668.068.1388311668.02222rrr则最后的解为1.0ln7.907523014232.8261442.102089381.0ln7.907523014232.8261432.1133708221221rrrrrrrPPTDESIGN7Ansys应力应变分析结果径向应力分布彩图径向应力分布图表PPTDESIGN7Ansys应力应变分析结果周向应力分布彩图周向应力分布图表PPTDESIGN7Ansys应力应变分析结果径向周向应力分布图表总成的应力图PPTDESIGN7Ansys应力应变分析结果径向应变彩图径向应变图表PPTDESIGN7Ansys应力应变分析结果周向应变彩图周向应变图表PPTDESIGN8结果分析由解析计算得r=0.1r=0.14184703807127734r17477523100.27750r由ansys分析r=0.1r=0.147098097rr=01849334017495460误差分析71277347098097100%0.42%71277341847038018493340100%0.12%184703801747752317495460100%0.10%17477523误差小于5%，ANSYS分析结果可靠由图像可知，最大应力在钢管的内表面，所以校核危险界面应选在钢管内表面PPTDESIGN结果视频•径向应力•周向应力•总成（第四强度理论）的应力PPTDESIGN9参考文献《工程热应力》顾泽同等编国防工业出版社《热传导及热应力基础》10感想总结1、在整个过程中出现的问题及解决方案在整个课程项目的设计过程中，我们遇到了许多困难和问题，但是凭着良好的心态和不放弃的精神，我们最终顺利完成了项目的计算与分析过程。1、课本基础不扎由于大一时没有打下扎实的数学计算基础和对弹性力学理解不深刻，在这次的项目计算以及问题分析时，我们总是不清晰。最后我们通过查课本，进行再次学习，找准了方向，完成了最终求解。2团队管理虽然大家在一个团队，为了同一个目标在奋斗，但是每个人依旧是个独立的个体，不可能在每一个方面大家都是想的一样的，当某个队员自己有一些想法时，我们要个他一个宽松的环境让他坦诚的说出心里的话，作为听众的我们，要耐心的听取他的意见，认真思考，然后用合适的方式进行讨论，不能别人一说什么就否定人家，这样一来，以后队里就不会再有人说话了，好的创意和想法也不会有被挖掘的机会。如果我们自己心里有什么想法，也要大胆的说出来，但是要注意语气和措辞，毕竟这是大家的团队，不是以自己为领导的工作班子。要听得进别人的意见。谢谢观赏MakePresentationmuchmorefun