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基于壳单元管束的增压锅炉有限元分析
| 论文题名： | 基于壳单元管束的增压锅炉有限元分析 |
| 关键词： | 增压锅炉;船舶蒸汽动力;应力场;壳单元;疲劳损伤度;有限元分析 |
| 摘要： | 增压锅炉主要负责为船舶提供高温高压蒸汽，以满足船舶用汽需求。由于船舶运行时常需要根据任务需求调整航速，这使得增压锅炉变工况运行的次数显著增多，而大扰动供汽导致增压锅炉锅筒受到频繁往复的应力冲击，管板区域产生较高的应力幅。长时间累计会使得锅筒产生塑性破坏以及低周疲劳的隐患，威胁人身以及设备安全。 本文以船用增压锅炉锅筒为研究对象，着重解决了增压锅炉过热器管束壁温分布以及在应力场求解过程中求解耗时长的关键问题，并对锅筒在汽压波动工况下的应力分布特性进行了分析。对于过热器管束壁面温度问题，本文采用Fluent进行了流动传热数值模拟，计算求解得到了管束温度场，解决了管束区域由于温度无法测量而导致位移场计算不准确的难题;其次采用了体-壳单元组合建模方式进行了有限元建模，并与全实体单元有限元模型进行了对比，验证了此方法的精确度以及可靠性，解决了应力场求解过程中有限元模型网格节点数量大，求解时间长问题;最后基于体-壳单元组合模型考察了汽压波动过程中增压锅炉应力分布特性以及疲劳寿命。 研究结果表明:过热器管束壁面温度沿轴向呈波动上升的趋势，轴向温差最大为95.52℃，周向温差最大为32.50℃，过热器管束第二排管束壁面温度最高，第二、三、四排壁面温度呈递减趋势;体-壳单元组合建模方式与全实体单元建模方式相比，两种模型管板处温度、应力、位移分布趋势基本相同，具有较高的计算精度，体-壳单元组合模型相较于全实体单元模型管束处网格节点数减少63.90％，计算时间减少了33.87％，达到了简化的目的;在汽压波动工况下，锅筒烟气辐射区热应力水平最高，危险点处应力值由于热应力与机械应力耦合时相互抵消，耦合应力最大值小于热应力最大值;在汽压波动工况下增压锅炉锅筒均满足强度要求，采用JB4732对增压锅炉疲劳寿命计算得到需许用循环次数为68386次。因此在实际运行过程中，要尽量避免压力大幅波动。 |
| 作者： | 宿兴东 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 宋福元;王建志 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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