锅炉锅筒的稳态温度场及热应力场分析毕业设计.doc

中北大学2012届本科毕业设计说明书锅炉锅筒的稳态温度场及热应力场分析学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 年 月摘要 锅筒是锅炉中非常重要的受压元件，锅炉系统中的熙然循环回路的主要组成部分是锅筒、上升管和下降管，它在系统工作时会接收来自省煤器的供水，并向过热器输送饱和蒸汽，锅筒是加热、蒸发和过热三个过程的连接点。锅筒运转工况非常繁杂，不单要承受来自内部较高的压力，还必须承受系统冷、热态启停及变负荷时的循环机械应力和热应力，这些交变应力很容易导致疲劳破坏。所以，对锅筒进行温度分析和热应力分析，得出锅筒在稳态工作时的温度和热应力分布规律，可为增压锅炉的安全运行提供一定的理论支撑。运用有限元分析软件ANSYS建立给定锅炉锅筒的三维模型，并将给定数据带入，对锅筒内热应力分布和温度场分布进行三维有限元数值模拟分析。按相应的边界条件施加合适的约束，使锅炉锅筒始终在正常范围内工作。用ANSYS软件分析并确定锅筒正常工作时其内部的温度场及热应力分布规律，并根据分析结果和给定材料特性对锅炉锅筒进行相关的强度评定，最终为锅筒的安全评判提供参考。关键词：锅炉；锅筒；有限元；温度场；热应力；强度评定Abstract The drum is the most important pressurized component of boiler,and it connects with the riser tubes and downcomers of the natural circulation loop,at the same time drum gets the feed water from economizer and provides saturated steam for superheater.It is the junction of heating,evaporation and overheating.Drum running conditions are very complicated because it not only bear a high internal pressure but also endure cyclic mechanical stress and thermal stress induced easily fatigue wreck during cold,heat starting and stopping and variable conditions.Therefore,variable rules on stress of supercharged boiler drum in steady and startup period can provide theoretical support for optimal starting scheme of supercharged boiler through analysis of the boiler drum stress.The finite element analysis software ANSYS is used to establish the three-dimensional model of the boiler drum, and the given data is brought into the three-dimensional finite element numerical simulation analysis of thermal stress and temperature field in the pot. According to the appropriate boundary conditions to impose appropriate constraints, Make the boiler barrel always work in the normal range. Using ANSYS software to analyze and determine the temperature field and thermal stress distribution of the cylinder during the normal operation,According to the analysis results and the characteristics of the given material, the strength of the boiler drum is evaluated,Finally provide reference for the safety evaluation of pot.Keywords:Boiler;Drum;Inite element;Temperature field;Thermal stress; Strength evaluation目录1 绪论11.1 概述11.2 锅炉锅筒温度场及热应力场国内外研究现状21.2.1 锅炉锅筒温度场研究现状21.2.2 锅炉锅筒热应力研究现状31.3 本文主要研究内容42 相关理论基础52.1 有限元法介绍52.1.1 ANSYS分析的基本过程62.2 强度理论72.3 应力分析的力学理论102.3.1 弹性力学基本方程112.3.2 热弹性力学理论基础122.4 热应力介绍142.5 本章小结163 锅炉锅筒的力学分析173.1 内压作用下锅筒圆筒的应力状态173.2 锅筒圆筒热应力173.3 本章小结184 锅炉锅筒壁温、热应力 ANSYS 数值模拟分析194.1 锅炉锅筒几何实体模型建立194.1.1 锅筒材料属性204.1.2 锅筒三维模型建立214.2 网格划分224.2.1 单元类型的选取224.2.2 锅筒模型的网格划分234.3 边界条件确定及加载244.4 结果分析244.4.1 稳态温度场结果分析244.4.2 稳态热应力场结果分析264.4 本章小结28结 论29致谢30参考文献31第 页 共 页1 绪论1.1 概述 在我国船舶的主要驱动力是蒸汽动力装置，该装置的特点主要有技术成熟、经济性好、可靠性高、研制的周期比较短以及较长的使用寿命。在舰船的蒸汽动力装置中，锅炉作为提供动力的装置，为舰船提供运动、发电以及生活等所需要的蒸汽。因为增压锅炉的一系列有点，比如：可靠性比较高、重量较轻、尺寸又不大，而且炉膛热负荷比较高、机动性能优越、经济性良好，所以在我国的船舶中一般使用蒸汽动力装置作为动力源。到目前为止，我国在船用增压锅炉方面的钻研还有一定的局限。这几年来，随着我国海军以及海军的相干装备的进步，船用增压锅炉的研制受到相关领域的普遍关注，有关研究部门展开了对船用增压锅炉的基础理论研究工作。与此同时，国外的舰船蒸汽动力装置也一直在发展中，由于新型船用增压锅炉的接连涌现，使得相应的技术水平也日益提高。增压锅炉和常压锅炉相比，它的机能更显优越，主要体现在如下四个方面： 1增压锅炉的体积小、重量轻； 2增压锅炉动力装置经济性高； 3增压锅炉动力装置机动性能好； 4增压锅炉动力装置中的增压锅炉重量尺寸较小，可靠性与可维护性强，能显著提高船舶的生命力1。锅筒属于高温高压容器，在增压锅炉中占有很重要的地位，在增压锅炉运行过程中，工况的变动会在一定程度上导致锅筒承受循环应力载荷。而频繁的应力波动则会导致金属产生裂纹，并使得锅筒最终破裂。增压的锅炉运行过程中，锅筒内充满着高温高压的饱和水和饱和蒸汽，如若锅筒破裂产生爆炸，不仅会造成重大的经济损失，更会造成惨重的人员伤亡。另外，由于锅炉体积庞大且结构复杂，一旦锅筒损伤将很难进行维修和更换，锅炉安全经济运行也将受到影响。于是，创建温度及应力场计算方法，计算分析锅筒温度及应力场的分布规律，通过实时监测锅筒的温度及压力等相关运行参数，实现对于锅炉锅筒的温度及应力的计算监测，这对于锅炉的安全经济运行有着很重大的意义2。1.2 锅炉锅筒温度场及热应力场国内外研究现状1.2.1 锅炉锅筒温度场研究现状 锅炉在启动和停止的过程中，锅筒内的温度场是一个非常复杂的三维稳态分布场。这是因为锅筒不仅构造比较复杂，并且它还伴随有传质、两相流、凝结、闪蒸等现象。就目前来看，国内外对于锅炉锅筒温度场的计算一般是进行简化计算，而锅筒的建模方式又可以分为一维建模、二维建模和三维建模。一维温度场的分析计算一般是在几种不同的简化条件下进行的。计算一维温度场通常需要提前确立各种不同的简化条件。郑思定，邓文俭将锅筒假设为一个无限长的圆筒体，且仅在径向上存在温度梯度，不存在周向温差及轴向温差。锅筒的壁厚相对于它的整个筒体结构的尺寸来说会很小，所以认为沿着锅筒径向上锅筒壁温度一般是均匀分布的3,4。同时我们也可以把计算锅筒的应力场转换为一个求解一维温度薄平板的平面应力问题，但是显然，这种模型和实际不符。 而二维温度场的分析计算，不需要把锅筒轴线方向的温度差别考虑进来，只要研究锅筒的横截面以及与之相连的下降管纵截面的温度分布就行。沈月芬通过计算得到以下结论：锅筒由于上下部所处环境的换热系数不同，使得锅筒上下部升温速率不同，产生了锅炉锅筒上下温差5。而且锅筒的升温速率和周向温差的变化规律都会对锅筒的温度场分布产生一定的影响。 三维温度场所分析的问题则是一个非稳态、可变特性、不均匀物体热传导的问题。赵铁成以我国研发制造的300MW 锅炉为研究对象，对其处在非稳态状况附加若干简单的边界条件下的情况，应用用有限元法已经计算出300MW 锅炉锅筒的三维温度场分布情况6。因为锅筒材料的物性参数一般会随锅筒的温度发生变化，而且锅筒的受热环境又很复杂，所以锅筒的实际热边界条件是复杂多变，因此只能对锅筒进行简化分析。和一维二维的温度场计算相比较，三维温度场的分析计算更贴近实际状况。但由于相应的计算量和需要考虑的影响因素又多又复杂，所以目前对于锅筒的三维温度场的计算分析开展相对缓慢。 可见，关于锅炉锅筒温度场的计算，一维模型和二维模型都与实际情况差的比较远，胆识于增压锅炉三维模型的分析计算，目前开展的又比较少。 锅筒温度场的计算方法有两种：一种是正问题解法，也就是直接解法，它是对所研究模的型建立相应的导热微分方程，再根据已经知道的锅筒和介质的物性参数，再加上锅筒周边的各类热边界条件以及它随时间的变化规律，就可以直接求解出锅筒的温度场分布情况；而另一种计算方法是并不十分流行的反推法，它通过控制容积法，对锅筒壁面进行网格划分，再对锅筒每一层所划分的单元建立热平衡方程，在已知锅筒材料的物性参数及结构尺寸的前提下，将锅筒外壁的温度分布作为热边界条件，进而逐层求解锅筒壁各层的温度，从而得到锅筒温度分布。 对于锅筒温度场的计算，国内大部分的研究人员主要采用的还是直接解法。贾鸿祥通过理论求解，得出锅筒启停及变负荷运行过程中锅筒壁面温度场的一维不稳定导热微分方程，他又分别对锅筒内壁施加第一类边界条件以及第三类边界条件，从而得到对应边界条件下的径向温差7。王灵梅针对锅炉启停过程和锅筒结构特点，做了一定假设，并进行相应分析，最后得到锅炉启停过程的锅筒温度场计算数学模型8。肖立川对于锅筒里面介质的换热情况作了比较深入的分析，他把锅筒的温度场计算认定为存在气液两相流传热的耦合热分析，并建立了相应的近似算法9。薛国新等则研究了给水速度过快会对锅筒塑性形变的影响，他们把锅筒内部气液两相流所造成的温度计算的复杂性考虑进去，应用实验测量和插值的方法得到锅筒内部热源强度，进而分析计算并得出锅筒温度场分布10。1.2.2 锅炉锅筒热应力研究现状 锅炉锅筒的应力场分析，主要是指对锅炉锅筒的热应力、机械应力以及这两种应力的综合分析。依据不同的计算初始条件，锅筒应力场的分析又分为稳态应力场分析与瞬态应力场分析。在锅炉锅筒的热应力计算中，因为锅筒总是处于一种复杂载荷作用下，于是要准确计算出锅筒的应力场会很困难，当前的方法通常是对锅筒的三维模型进行简化，然后只考虑温差引起的热应力与锅筒工作压力的综合作用效果，也就是通常所说的总应力的分析。当锅筒内壁温度高于外壁温度时内壁金属的热膨胀会在一定程度上受到较冷的外壁金属的约束，所以内壁金属受到压应力，外壁受拉应力；而当锅筒内壁的温度低于外壁的温度时，锅筒外壁的金属又会受到压应力，内壁金属会受到拉应力。所以锅筒在内压变化和锅炉启动、停止过程中会产生径向温差，进而引起锅筒的合成交变载荷应力。在国内，商福民，吕邦泰等人以200MW670t/h机组为研究对象，对于其启停过程，应用三维等参法计算分析锅筒应力场分布，考量了锅筒上下温差对锅筒热应力的影响11。徐礼华则通过实际测量锅筒壁的温度，得到锅炉锅筒的大致温度分布情况，使用三维有限元计算的方法，得到锅筒壁热应力分布情况12。梁艳明分析研究了锅筒壁上存在应力集中现象的高应变区域，以锅筒下降管处为例，定量分析了不用连接方式的情况下的锅筒的应力分布特性，他还提出了对于内伸管头部的形状加工改进意见13。 在国外，文献14,15指出了周向温差以及锅筒内外壁温差对于锅筒热应力场分布的影响，但是将每一种温差所产生的热应力又进行了单独分析，忽略了各种温差所产生的相对应的热应力之间的交互作用14,15。J.Taler 建立了一种计算在锅炉运行过程中锅筒瞬态热应力的方法，这种方法的前提是必须以锅炉运行期间锅筒壁温度场的空间分布及时间分布为依据，才能通过计算得到锅筒热应力场分布16。Isreb M.和 Kim T.S.对锅炉启动过程中的升温速率等方式进行了设计优化，减小了在启动过程中由于锅筒壁温差而产生的热应力17,18。1.3 本文主要研究内容本文以给定锅炉的锅筒作为研究对象，对其温度场及热应力场分布规律进行研究分析，具体研究内容如下：采用三维有限元理论，利用大型有限元分析软件ANSYS，建立给定锅炉锅筒的有限元模型，并施加相应的约束和载荷，对锅炉正常运行工况下锅筒的温度场和热应力场进行分析计算，得到锅炉锅筒在稳定工况下的温度云图和热应力云图。具体工作包括以下几个方面：(1)建立给定锅炉锅筒的三维有限元分析模型；(2) 施加合适的约束，载荷边界条件，使锅炉锅筒始终在正常工作范围；(3)用有限元分析软件分析并确定锅筒正常工作时其内部的温度场分布规律；(4)用有限元分析软件分析并确定锅筒正常工作时其内部的热应力分布规律；(5)计算分析锅筒正常工作时的稳态温度场及稳态热应力分布规律，为评判锅炉的安全状况提供参考。2 相关理论基础2.1 有限元法介绍有限元分析法是求解数学物理问题的一种常用的数值计算方法，有限元法刚开始在固体力学领域的使用比较频繁，接着很快扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他的领域。有限元法是使用数学（主要是数学近似）的方法对切实存在的物理系统进行数据模拟。利用简单而又相互影响的单元，然后使用有限个数的未知量去无限逼近未知量的真实系统。 有限元模型得实质就是真实存在的系统理想化的数学数据。它把整体结构划分为有限个单元，然后利用单元的一些特性，对单元进行分析；再把这有限个离散单元集合还原成统一的结构，再分析离散结构的性能。划分的单元大小和数目会根据软件所确定的计算精度和计算的机能力来确定。如图2.1梯子的真实系统和有限元模型以及图2.2 齿轮有限元模型。 真实系统 有限元模型 图2.1 梯子的真实系统和有限元模型 图2.2 齿轮有限元模型有限元法的基本思路是：分割-组合。具体可以表述为： 1、把表示物体结构或者连续物体的求解域离散为几个单元，然后通过他们边界节点之间的关系组合成一个整体（组合体）；2、单元分析，也就是对于每个独立的单元，用标准的方法提出一个近似解；3、把所有单元按照标准方法组合成一个与原有系统比较接近的系统，也称作整体分析。工程技术中有很多问题都可以根据他们的物理特点，建立各自的微分方程及相应的边界条件，其中比较简单的一般只有几何形状和边界条件，有时候微分方程的类型也会比较简单，但是用解析方法求不出工程技术上问题的精确解，于是相关研究人员寻求近似解来代替解析解。有限元法具备很多优点，如下： 1、对于复杂几何构型的适应性； 2、对于各种物理问题的适用性； 3、建立于严格理论基础上的可靠性； 4、适合计算机实现的高效性。总之，有限元法已经被公认为最有效的应力分析工具，并且受到了相关研究人员重视和广泛应用。2.1.1 ANSYS分析的基本过程 ANSYS分析过程包含3个主要的步骤：前处理、加载并求解、后处理（如图2.3所示）。 图2.3 ANSYS分析的基本过程1 前处理 前处理是指建立实体模型和有限元模型。它包含：创建实体模型，定义单元属性，划分有限元网格，修正模型等。2 加载并求解 将划分好网格的三维模型加载入ANSYS软件，然后进行类型定义，确定研究类型、材料特性以及温度等相关属性。3后处理 将第二部分所得到的答案（如变形，应力和反力等）资料，通过图形以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来19。2.2 强度理论 此处论述的强度理论主要包括四个：最大伸长线应变理论、最大拉应力理论、形状改变比能理论、最大剪应力强度理论。 1.最大拉应力理论 这个理论是最早的强度理论，又称第一强度理论。提出这个理论的根据是：如果作用在构件上的外力很大，那么它危险点位置的材料就会沿着最大拉应力所处的截面发生脆断破坏。这个理论对于脆断原因所做的假说是：最大拉应力是引起材料脆断破坏的因素；也就是不管在什么应力状态下，只须构件内某点处的几个主应力中最大的拉应力到达或者超过材料的极限值，材料在该处就会发生脆断破坏。至于材料的极限值则可由通过任意一种使试件发生破坏的实验来确定。在简易的拉伸试验中，如果令三个主应力中的两个为零，那么最大主应力便是材料横截面上的拉应力，但这个应力达到材料的极限强度时，试件就断裂。所以，依据第一强度理论，经过简易的拉伸试验，便可以得知材料的极限应力就是。于是在复杂应力状态下，材料的破坏条件是 （2.1）考虑安全系数以后的强度条件是 （2.2）这一理论基本上能正确反映出某些材料的强度特性。 2.最大伸长线应变理论 最大增长线应变理论习惯上称第二强度理论。这一强度理论的根据是：如果作用在材料上的外力很大，那么它危险点处的材料就会沿最大增长线应变的方向发生脆断破坏。这一理论对脆断原因所做的假说是：最大伸长线应变是引起材料脆断破坏的因素；即不管在如何的应力状态下，只需材料内某点处的达到或超过材料的极限值，材料就会在该处发生脆断破坏。与前述道理相同，材料的极限值则可通过任意一种使试件发生脆断破坏的实验来确定。材料的脆断破坏条件为： （2.3）式中，是单向拉伸试件在拉断时其横截面上的正应力。在复杂应力状态下一点处的最大线应变为: （2.4） 代入式(2.3)得: （2.5） 将式(2.5)右边的除以材料的安全系数就可以得出材料的容许拉应力。所以对危险点位置于比较复杂的应力状态下的构件，按第二强度理论所建立的强度条件是： （2.6） 3最大剪应力强度理论最大剪应力理论一般又可以称之为第三强度理论。提出这个理论的根据是，如果施加在构件上的外力很大，那么它危险点位置的材料就会沿着最大剪应力所处的截面发生滑移而产生屈服破坏。这一理论在对屈服破坏原因所做的假说是：最大剪应力是引起材料屈服破坏的因素；即不论在什么应力状态下，只须构件内某点的最大剪应力达到或者超过材料的极限值，这点的材料就会发生屈服破坏。至于材料的极限值可以通过任意一种使试件发生屈服破坏的试验来确定。至于低碳钢这类型材料，在单方向拉伸试验过程中，材料的屈服现象就是因为它沿斜截面发生滑移而出现的。这时候试件在横截面上的正应力便是构件的屈服点，而在试件斜截面上的最大剪应力(即45斜截面上的剪应力)等于横截面上正应力的一半。于是，对于这一类材料，就可以从单向拉伸试验中得到材料的极限值： （2.7） 所以，按照这一强度理论的观点，屈服破坏条件是: （2.8） 在复杂应力状态下一点处的最大剪应力为 （2.9） 式中，和分别为这个应力状态中的最大主应力和最小主应力。所以 （2.10） 将式（2.10）右边的除以安全系数即得材料的允许拉应力，所以对危险点位于复杂应力状态的结构，依据第三强度理论所建立的强度条件是： （2.11）在应力分析中，通常称为应力强度，第三强度理论的缺点是没有考虑中间主应力，对材料屈服的影响。 4.形状改变比能理论这一理论通常也称为第四强度理论。它对屈服破坏原因所做的假说是：设形状改变比能是引起材料屈服破坏的因素；即不论构件处于如何的应力状态，只要结构内某点位置的形状改变比能超过或者达到材料的极限，构件的这个位置就会发生屈服破坏。构件在外力作用下蓄积的形状改变比能ud，可以如下的公式进行计算： （2.12） 在简单拉伸条件下，试件发生屈服时，将，代入上式，材料的形状改变比能极限值应为： （2.13）于是根据第四强度理论，复杂应力状态下材料出现屈服破坏的条件是ud=udjx，即： (2.14) 即 （2.15）考虑安全系数以后的强度条件是： （2.16）注意到式(2.16)左侧的三个主应力之差分别是三个最大剪应力的两倍，所以，第四强度理论从本质（物理本质）上讲，也可归为剪切型的强度理论20。2.3 应力分析的力学理论 因为物体运动状态不同，所以分析并确定其应力分布的方法也有所差别。在材料力学中，对于静定问题的分析一般都采用“截面法”，“截面法”是把物体按要求截开，利用静力平衡，根据外载荷的情况，确定截面上的内力，再根据一定的假设求出截面上各点的应力。而对于材料力学中的静不定问题的分析，除了需要运用“截面法”外，还需要再引入简单的几何方程才能确定出所求物体的应力分布。这种方法比较理想，对于工程中遇到的很多实际问题，以上材料力学中的方法便不能很好地解决，或者说，需要花费很大的物力人力才能解决，得不偿失，工程上也不允许。例如：厚壁容器在承受内压或温差时的应力与变形、容器开孔等问题。这些问题中物体的载荷与结构大部分都是随着空间三个方向而变化的，即三维而不是一维或者二维问题；其应力和变形也常常是空间坐标的函数，在力学上属于三维问题。在解决这类问题时，就不能使用“截面法”，而且仅仅利用静力平衡条件也不可能求出其应力分布情况。要弄清楚它的应力分布情况，就必须综合考虑它的结构的静力、几何、物理等各个方面的条件。此时使用弹性力学的分析方法就比较好，弹性力学采用了与材料力学不同的分析方法-无穷小量分析，经过实践证明，连续介质的分析可以使用弹性力学中的分析方法。那么何为无穷小量分析呢？在弹性力学中，假设物体内有很多个六面体微元、表面是由四面体微元组构成，每个微元都保持着整体所具有的物理性质。此时就可以从物体里面取出任一微元进行分析，由于这些单元十分微小，便可认为其面上各应力分布是均匀的，通过对微元平衡与变形分析，就可以建立可起供整体使用的微分方程。2.3.1 弹性力学基本方程 1平衡方程 弹性体中的微单元体上的正应力和剪应力，满足平衡方程(2.17)。在式中，分别为单位体积上的应力在三个坐标轴方向的分量。 根据剪应力互等定理：，。 （2.17） 2几何方程 弹性体任意一点的应变和沿各坐标轴方向的位移，满足几何方程： （2.18） 为保证物体变形后连续，各应变分量之间尚需满足应变协调方程： （2.19） 3物理方程： 对各向同性材料来说应力和应变之间满足物理方程： （2.20） 式中，为弹性模量；为泊松比；为切变模量，对各向同性材料说:。2.3.2 热弹性力学理论基础锅炉中有好多部件都是圆筒形的，如锅筒、联箱和管子等，因为这些部件是圆筒形的，所以它们金属壁内的温度分布是不均匀的，尤其当锅炉在不稳定工况下工作时，如锅炉的启停等，这些圆筒壁内的温度分布不均匀程度会更大，而且温度分布还会随着时间发生变化。所以，这些圆筒形锅炉部件在受热时不仅产生热变形，而且还会由于相邻金属的约束而产生热应力。如果此时物体所产生的热应力仍在相应材料的弹性范围内，那么此热应力和由它所引起的热应变仍服从胡克定律。对锅炉的圆筒形承压部件来说，有时会受到外力及温度变化的双重作用力，要解决这类热弹性力学问题，则需要按叠加原理把热应力的解与通常弹性力学的解叠加起来，本节忽略物体的体积和外力的作用，只考虑温度的作用，以突出热应力问题。在有的三维问题分析中，因为存在温度场的影响，所以物质性方程用如下形式表示21： （2.21） 式(2.21)表明，仅考虑温度作用的物体的总应变由两部分组成：第一部分是由热应力引起的服从虎克定律的弹性范围内的应变；第二部分是由于温度变化引起的自由膨胀或收缩的初应变，这部分应变与应力无关。对于锅炉的汽包、联箱等部件来说，其几何形状都是圆筒形的，因此这些方程在圆柱坐标系下表示更为方便。在圆柱坐标中，取圆筒的轴线z为对称轴。对于这类轴对称部件的热应力，若温度分布与坐标 无关，只是坐标和的函数，即，则这时可简化为以和为自变量的二维问题来解。这类问题不计体积力，其平衡微分方程式为： （2.22） 几何方程式为： （2.23）用应变表示应力的物性方程式为： （2.24） 若温度分布沿圆筒轴线方向也无变化，且是轴对称的，只是坐的函数，则产生的热应力也必然是轴对称的，即应力分量与和无关，也只是坐标的函数。锅炉中的圆筒形部件一般也可以看成是这种轴对称温度分布问题22。2.4 热应力介绍热应力是物体温度发生变化时，物体因为外在约束和内部各部分之间的彼此约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力，又可以叫做变温应力。具体来说就是，工程和科技装置中同时承受外力和高温作用的部件，例如锅炉、汽轮机、燃气轮机、内燃机、核动力装置及火箭、高速飞行器等。前面提到过，零件在外力作用下会发生变形，同时在内部产生应变和应力。我们所了解的材料力学和弹性力学就是研究物体在受外力作用下其内部应力、应变和变形之间关系的科学。但是，引起物体变形的原因不仅仅有外力作用，温度一样可以引起物体发生形变。而温度变化所引起的物体形变称为热变形。自然现象中的热胀冷缩就是热变形的典型例子。如果仅仅只有温度发生变化的话，物体内部不一定会产生应力；物体只有在温度变化情况下发生膨胀或者收缩受到约束时才会在内部产生热应力。例如一根长度为，直径为的金属棒，初始温度为，均匀受热后，温度升至,则棒子在自由膨胀时，它在长度和直径方向的伸长量分别为及，它在长度和直径方向的应变为： （2.25） 也就是，该金属棒的温度由升至时，各个方向的应变均为： （2.26）式中：为材料的膨胀系数，它随材料的不用而不同，并且受温度影响，但是当温度变化不大时，可视为常数。热应力是因为温度变化引起物体的膨胀或者收缩受到约束才产生的，而约束作用大致可以归纳为三类：外部变形的约束、内部各部分之间变形的约束和相互变形的约束。举个外部变形的约束的例子：假定一个各向同性的立方体边长为1cm，因为受热匀称而自由膨胀或者因为均匀冷却而自由收缩时，该立方体会在长、宽、高三个方向产生同样的伸长或者收缩，即该立方体仅仅有纵向变形，而无剪切变形，此时该长方体内部照样会有热应力产生。在内部各单元之间变形的约束指的是在温度分布不均匀的物体内部产生热应力时所受到的约束。因为，在这种情况下，虽然物体不受外力作用，但是由于物体内部各处的温度不同，因此物体内每一部分因受到相邻部分的影响而不能自由伸缩，此时，物体内部也会产生热应力。第三种情况就是零件相互变形的约束。因为构件是由若干不同材料的零件组合起来的，所以即使构件受到相同的加热或冷却，但由于各种零件的膨胀系数不同，或由于膨胀方式不同而造成的零件相互之间约束，不能自由胀缩，从而各自产生不同的热应力。以上的讨论可归纳得出：物体温度产生变化，由于它和不能自由伸缩的其他物体之间或着该物体内部各部分之间因为相互约束所产生的应力称为热应力。这是一种非外力作用引起的应力，导致热应力的根本原因是温度变化与约束作用。其中约束作用可归纳为三种形式，分别为外部变形的约束、相互变形的约束、以及内部各部分之间变形的约束。2.5 本章小结 本章主要介绍了近几年发展起来的一种数值（模拟）计算方法-有限元法，这是一种根据变分原理求解数学、物理问题的算法。 四大强度理论：最大拉应力理论、最大伸长线应变理论、最大剪应力强度理论和形状改变比能理论。弹性力学的最基本的平衡微分方程、几何方程和物理方程。还介绍了热应力的一些基本情况。 3 锅炉锅筒的力学分析3.1 内压作用下锅筒圆筒的应力状态假定锅炉锅筒的圆筒内半径为，外半径为，令它的半径比为，那么内压作用下锅筒圆筒的应力分布根据拉梅公式23有： （3.1） 内压作用下圆筒壁各点应力见表3.1：表31 内压下圆筒壁中的应力 应力 内壁处任一半径处 外壁处 3.2 锅筒圆筒热应力 因为锅炉锅筒在一定的温度环境下工作，所以温度变化会导致材料的膨胀和收缩，假如锅筒外面的约束或着内部的变形条件而使它的膨胀或收缩不能自由发生时，在它的构件中就会产生附加的应力，这个应力也称作热应力。热应力的求解一般分为两步：第一步，知道问题的初始条件、边界条件，利用相关公式，如热传导微分方程，进行计算，最后得物体（锅炉锅筒）的温度场；第二步，按照前面提过的弹性力学的基本方程求解出物体的热应力。 举例来说，已知条件：内半径为，外半径为b的厚壁圆筒，如果该圆筒的两端自由且绝热，圆筒内没有热源，内壁温度为，外壁温度为。那么该圆筒容器内任一半径处的温度分布可以表示为24: （3.2）而厚壁圆筒的热应力分布则需要利用平面轴对称热应力问题一般解法来求： （3.3） 其中： 热膨胀系数； 弹性模量； 泊松比； 在一般情况下，热膨胀数会随着温度的升高而逐渐增大，则相反；在圆筒内外表面上，会有最大值，这些值分别为： （3.4） （3.5）3.3 本章小结本章主要对锅炉锅筒和有关容器开孔进行了力学分析和热应力分析，并列出了圆筒容器的温度分布、热应力分布公式和圆筒的最大应力值公式。4 锅炉锅筒壁温、热应力 ANSYS 数值模拟分析4.1 锅炉锅筒几何实体模型建立实际锅炉锅筒的内部组件数量较多，而且结构复杂，在分析过程中会产生很多难以计算或确定的因素，这些因素在一定程度上会对锅筒内部的汽水流动分布及锅筒受热情况造成影响。如果考虑所有的这些影响因素，在分析过程中不仅会占用很多计算机存储空间，增大计算量，耗费大量的时间，而且很会使研究成本增高。而且即使将这些因素全都考虑进来也不能保证计算所得出的锅筒温度场分布及热应力场分布是准确无误的。因此，在对锅炉锅筒进行ANSYS 数值模拟分析的时候，需要根据锅筒本身的结构尺寸和受热特性，对锅筒的结构以及边界条件进行合理的简化处理，具体过程如下：（1） 因为锅炉锅筒的筒体区域和封头部分的壁厚存在差异，导致连接处是一构不连续的几何体，因此会在这部分产生应力集中的情况。但因为仅仅是局部加强，所以在锅炉锅筒几何实体建模的过程中可以忽略封头部分；（2）在锅筒的连接系统中有下降管、水冷壁及对流蒸发管束等，这些部件的孔径尺寸和伸出长度存在一定的偏差。但是因为锅筒的连接管束在锅筒内部伸出部分比较短，对其内部的汽水流动规律的影响不是很大，所以连接管束的这一伸出部分可以忽略不计。而且根据管束向外延伸长度对于名义应力分布规律的影响，一般采用管束向外伸出自身外径2倍的长度那一部分研究。（3）因为锅筒的连接管束和锅筒本身的连接方式是机械胀接，而机械胀接的连接效果又会对锅筒的性能有一定的影响。通过以前的一些研究资料可以发现，要使胀接效果达到比较好的水平的话，一般要使连接管束和筒体是同一材料，此时，冷态胀接的效果、连接部分的抗脱拉力和胀接接头的密封性均能达到较高状态。因此，假设给定锅炉锅筒的筒体和其连接管束是同一材料并把这两部分看做一个整体，这样可以在一定程度上简化计算。（4）因为锅筒内部装置（如汽水分离器、排污器等）和锅筒内部工质本身具有的重量对锅筒温度场分布和热应力场分布规律的影响不是很大，所以忽略锅筒自身重量、锅筒内部装置重量、筒内工质重量和由此带来的锅筒下部反支力。4.1.1 锅筒材料属性本文所研究的锅筒的制造材料为23Mn2Cu，在对锅筒壁温及应力进行数值模拟分析时，通过实验数据可以发现锅筒周向温度存在温度差异。给定锅炉锅筒的设计压力为6.5MPa，温度为260。给定锅炉物性参数和材料特性参数见表4.1和表4.2。表4.1 给定锅炉的物性参数锅筒内径/mm1300外径/mm1450下降管内径/mm17.7外径/mm20.2对流管束内径/mm27.7外径/mm30.2对流管束内径/mm35.8外径/mm38.3对流管束内径/mm54.8外径/mm57.3对流管束管壁厚/mm2.5材料23Mn2Cu室温时弹性模量 MPa泊松比0.3表4.2 材料特性参数温度/20100200300400500600线性膨胀系数/12.613.313.614.014.314.5弹性模量/209205201193184173续表4.2比热容/548578611649741密度/7.84e3热导率/39.838.937.335.333.9热扩散率/10.810.39.638.877.846.955.854.1.2 锅筒三维模型建立对内压作用下的圆筒体，通常以相邻两个管孔边缘距离是否小于(R为简体半径，S为简体厚度)为标准来判断管孔是否互相影响，本计算模型相邻管孔节距较小，应力相互影响，应按实际尺寸建模，不能省略个别管孔25。 本文采用ANSYS软件实体建模功能创建锅筒的实体模型，采用混合法从底部往上和从顶部向下的实体建模方法，建立了给定锅炉锅筒和与它相连的连接管道的简化几何实体模型，如图4.1所示。图4.1 锅筒的三维模型4.2 网格划分 在ANSYS软件数值模拟进行的过程中，因为所施加的温度压力载荷没有直接加载到几何有限元模型上，是通过模型本身及模型的面等加载方式传递到有限元模型的节点和单元上。所以，在建立了锅筒的几何实体模型后，开始进行划分网格，并生成节点以及单元格。4.2.1 单元类型的选取本文采用和分析相对应的 SOLID 70 单元(见图42)，该单元没有中间节点，SOLID 70通过8个节点来定义，每个节点都有沿着xyz 3个方向平移的自由度。 图42 SOLID 70 单元4.2.2 锅筒模型的网格划分因为汽包结构复杂，所以对锅筒模型进行网格划分的时候仅选取锅筒本身、下降管和一个对流管束进行网格划分，划分结果如图4.3所示。锅筒模型（除去下降管和对流管束 ）共划分了565136个单元。图4.3 网格图4.3 边界条件确定及加载1.施加约束 根据相关结构与载荷的对称性特点，一般在对称面上施加的约束为对称约束，由于热应力不会导致锅筒刚体移动，因此没有在锅筒上施加X方向的约束和Y方向的约束。2 施加载荷一般情况下，增压锅炉和常压锅炉锅筒受热情况大致相同，在下降管处的锅筒壁外侧会受到炉膛的辐射换热影响。查看常压锅炉船用实测数据，取锅筒壁和下降管温度见表4.3。表43 锅筒内外壁温度（单位：）位置工况锅筒内壁上表面263锅筒内壁下表面338锅筒外壁上表面262锅筒外壁下表面3404.4 结果分析4.4.1 稳态温度场结果分析在对给定锅炉进行三维建模并施加相应的温度载荷后，通过ANSYS软件的计算可以得出如图4.4的温度云图。 图4.4 锅筒（除去下降管和对流管束）的温度云图 从图中可以看出在下降管所在的那块区温度最高，在锅筒顶部温度最低，在锅筒底部温度最高，而在中间有一个不规则的温度过度区域。4.4.2 稳态热应力场结果分析热应力场一般比机械应力场复杂，这个系统的最大应力位置出现在锅筒外壁和对流管束以及锅筒外壁和下降管相连处稍微偏里一点。这是因为锅筒温度场比压力场复杂，锅筒外下壁和下降管外壁受辐射换热，热量从锅筒外下壁流入锅筒，而对于锅筒上壁来说，则是内壁温度比外壁高。汽包上壁受到了拉应力，而下壁受到了压应力26。在对给定锅炉进行三维建模并施加相应的对称面约束和压力载荷后，通过ANSYS软件的计算和分析可以得出如图4.5的热应力云图。 图4.5 锅筒（除去下降管和对流管束）的热应力云图从图中看出应力，在各管束与锅筒壁相交的地方出现了应力集中，这是因为锅筒温度升高时，锅筒沿轴向膨胀相对于径向要大。而锅筒本身由于大量管孔的存在，锅筒壁强度被削弱，因此在有孔的地方出现了应力集中。在锅筒两侧的水位波动区，因为存在温度梯度，会出现比较大的热应力。热应力从锅筒内壁到外壁的热应力会先逐渐增加，在应力达到最大值后开始下降，这是因为管束的外伸部所受的约束比较小，产生的温差也小，所以热应力也会比较小。可见，锅筒中热应力对锅筒的安全性能影响较大，所以锅炉在运行过程中要时刻注意不能使锅筒的上下温差太大。4.4 本章小结本章对锅筒进行了稳态的热分析、热应力的分析计算。可以得到热应力对锅筒的安全性影响很大，所以在锅炉运行时一定要注意锅筒上下壁间的温差，尽可能减小它们之间的温差，提高锅筒的安全性。结 论本篇文章拟采用强度分析理论，利用了有限元分析软件ANSYS，建立给定锅炉锅筒的模型，并对锅筒的稳态的温度场、热应力进行了分析计算并得出相应的云图，通过对锅筒稳态温度场和稳态热应力场的分析而得出结论，进而为确定增压锅炉所需要的最优启动和变负荷分析方案提供一定的理论支撑。该锅炉锅筒与常压锅炉的锅筒相比，应力集中出现的位置一样，不过增压锅炉管孔节距较小，应力值一般比常压锅炉要大。因为锅筒上下壁温差对锅筒的安全运行影响很大，所以在设计锅筒的过程中，不能仅仅只考虑由压力引起的机械应力，还要考虑锅筒上下壁温差引起的热应力，进而合理的利用热应力和机械应力进行相互削弱，从而更好的达到锅炉锅筒的安全要求；在锅炉运行的启停过程中，务必要遵守安全守则，并严格控制锅筒上下壁之间的温差。本篇文章对增压锅炉整个锅筒模型的热应力温度场进行了有限元计算分析，并得出了相应的结果。论文还有很多不足之处，需要以后作进一步的分析和研究：1、没有考虑倒角的存在。2、只考虑了内外壁的温度场，没有考虑温度沿轴向的变化。3、没有考虑各管束与锅筒壁的连接方式。随着科学技术的发展可以一步步把这些问题考虑进去。 致谢 四年的学习生涯将要画上句号，而在论文写作的过程中，从论文的选题到确定思路，从资料的搜集、提纲的拟定到内容的写作与修改，继而诸多观点的梳理，都得益于我的导师王军老师的悉心指导和匠心点拨。 老师在毕业设计上给予了我们悉心的指导。王军老师在论文的点评中总是闪烁着智慧的火花，与老师的每次交谈我都能从中获益。老师渊博的学识，敏锐的学术洞察力，严谨的治学态度，一丝不苟的负责精神给予了我极其深刻的印象，让我受益匪浅。在此，谨向王老师表示我最衷心地感谢和最诚挚的敬意。 同时，也向四年来所有教导过我和帮助过我的各位老师表示感谢，感谢您们对我的谆谆教诲、耐心指导和无私的帮助。感谢我的同学和朋友们，感谢你们在我论文写作过程中给予我的鼓励、关心和无私的帮助。最后，衷心地感谢我的家人，感谢你们一直以来给予我的支持和鼓励。第 29 页 共 30 页参考文献1杨晓峰.增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命分析D .硕士学位论文. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2009.2沙浩男.增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命分析D .硕士学位论文. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2014.3郑思定, 盛建国. 调峰机组锅炉汽包壁温度场和热应力分析和低周疲劳设计J.动力工程, 1988, 8(6) :1825.4邓文俭.1025t/h 自然循环锅炉锅筒的温度场和疲劳寿命损耗J .华北电力技术, 1994, (9): 1316.5沈月芬,曹子栋,李斌等.锅炉锅筒管接头组合结构的温度分布二维有限元分析J .西安交通大学学报. 1995,(05): 100105