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增压锅炉锅筒应力及整体位移数值模拟
| 论文题名： | 增压锅炉锅筒应力及整体位移数值模拟 |
| 关键词： | 船舶动力系统;增压锅炉锅筒;应力分析;疲劳损伤;整体位移;数值模拟 |
| 摘要： | 增压锅炉作为大型船舶动力系统的核心装置，主要负责产生高温高压蒸汽，以满足船舶推进、电力及用汽的需求。船舶运行时常需要根据任务需求调整航速，主蒸汽动力系统需要具备高机动性以满足船舶变速航行的要求，这使得增压锅炉变工况运行的次数显著增多，负荷的波动将导致增压锅炉锅筒受到频繁往复的应力冲击，如何精确预测锅筒的危险截面并计算分析锅筒的疲劳损伤度是工程中的难题，同时也是保障船舶安全运行的一道底线。锅炉在运行时，常出现螺栓剪断和护板开裂的问题，导致高温高压烟气泄露，危及机组人员的生命财产安全。确定增压锅炉锅筒的位移规律、以求为结构设计不合理的问题给出相应指导至关重要，现阶段关于船用增压锅炉锅筒应力场及疲劳特性的准确计算还不够充分，而实际运行时增压锅炉锅筒整体位移研究极其稀少。 本文以船用增压锅炉锅筒为研究对象，主要对增压锅炉锅筒的温度场、应力场及位移场进行了深入的研究。首先，基于合理的物理假设建立了增压锅炉锅筒的有限元模型，同时首次引入椭球形封头、实体管束等重要的结构细节，解决了增压锅炉锅筒因模型不完善导致的锅筒整体位移特性无法计算的难题;其次，对不同增压锅炉锅筒约束施加方案的合理性进行了对比和分析，首次采用了管束端面固定支撑的约束方案，解决了由于在锅筒端面上施加约束导致应力场结果不准确的问题;再次，基于网格无关解验证的结果对增压锅炉锅筒及管束模型进行合理的网格划分，得到了精度很高的网格系统，解决了因网格系统缺陷导致计算结果不可信的问题。最后，基于以上方案对汽压波动工况及冷态启动工况下增压锅炉锅筒的多物理场进行了有限元分析，确定了锅筒危险截面的位置，计算了锅筒中心位移量及位移角，并进行强度校核，进而计算了各工况下锅筒的疲劳损伤度。 研究表明:汽压波动工况及冷态启动工况下增压锅炉锅筒危险点均出现在管板辐射区，且沿锅筒轴向各管孔应力强度最大值呈现出两侧大中间小的趋势。相比于锅筒的热膨胀效果，管束的膨胀效果更强，处于高温条件下的增压锅炉位移由管束的热膨胀主导。由于汽压波动工况管板应力水平更高，相比于冷态启动工况，汽压波动工况下锅筒产生强度破坏的可能性更大;但由于应力幅值波动范围更大，单次冷态启动工况对锅筒造成的疲劳损伤约为单次汽压波动工况的1.8倍。 |
| 作者： | 段友东 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 李彦军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2019 |
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