（航空宇航制造工程专业论文）大型空冷岛管件系统的结构强度有限元分析.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国西部大开发的发展和西电东送北通道的开通，我国北部地区的晋、 陕、宁、蒙四省区的电力工业得到迅猛发展，而建设大型火力发电厂需要充足的 冷却水源。这些地区的优势是煤炭资源丰富，而劣势是水资源匮乏，利用丰富的 煤炭资源和有限的水资源发展火电工业，就需要采用新的冷却方式来排除废热。 空冷技术因其技术逐渐成熟，节水效果显著，可调效果好，因此在我国山西、内 蒙古等产煤区新建单机容量为3 0 0 m w 以上机组的电厂均采用空冷技术。直接空 冷系统的工作原理是将凉水塔取代，将汽轮机排汽管引至四十米以上的高度，进 入带翅片的管束( 相当于散热片) ，通过管内始终循环，再利用循环中的空气和 风机向上的引风来冷却，将蒸汽凝结成水，冷凝水从管束流至收集系统至冷凝水 箱，将水反复使用。这种冷却方法被称为直接空冷技术，其结构由悬于空中的岛 状钢结构及管网组成，简称：空冷岛。 随着计算机技术、计算数学、计算力学和计算工程科学的发展，有限元分析 方法越来越完善，并在工程结构分析、强度校核与结构设计中得到了大量广泛的 应用。同时为了使企业不断提高自己的设计研发能力，在产品开发的过程中，必 须对产品进行可靠性分析和不断改进来达到最优的效果。这就为有限元分析方法 在产品的设计开发过程中的应用提供了广阔的天地。 在本课题中，通过对空冷岛管件系统的有限元建模和各种工况条件下的有限 元分析，确定管件系统的危险部位和接口处的反力值，为工程设计人员提供设计 参考和依据。同时根据有限元分析结果，对管件系统进行必要的优化设计，根据 优化方案重新建立管件系统的有限元模型并进行有限元分析，对管件系统进行基 于c a d 和c a e 的闭环设计，得到管件系统的最佳方案，更好的满足工程需求。 同时开发了管件系统的三通、折转和端盖等局部结构的有限元分析模块，为今后 同类构件的设计开发提供便利。 关键字：空冷岛，管件系统，有限元分析，工具开发 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht l l ed e v e l o p m e n to ft h es t r a t e g yo fd e v e l o p i n gt h ew e s t e mr e g i o na n dt h e c h u i m e lo ft l l ed i v e r s i o no fe l e c t r i c i t yf 两mt 1 1 ew e s t e mt om ee a s t e mr e g i o n sp u ti n t o o p e r a t i o n ，t h ee l e c t r i ci n d u s t r yo fs h a n x i ，s h a a n x i ，n i n g x i aa n dn e i m e n g g up r o v i n c e s i nn l en o r t h e mc h i n ad e v e l o p e dv e r yq u i c k l y b u tal o to fw a t e rw a sn e e d e dt ob u i l d t h eh e a tp o w e rp l a j l t t h e 敷i v a n t a g ei nt 1 1 e r er e g i o ni st h e r ea r el o t so fc o a l ；t h e d i s a d v a n t a g ei st h e r ei sn o te n o u g hw a t e r t od e v e l o pt h ee l e c t r i ci n d u s t 巧w i t hp l e n t y o fc o a la i l di i m i t e dw a t e r ，n e wc o o l i n gs y s t e mi sr l e e d e d b e c a u s ea i rc o o l i n gs y s t e m c a l ls a v eal o to fw a t e r ，a n dt l l et e c h n o l o g yi sm a t u r en o w ，s oi ti s 谢d e l yu s e di n s h a l l x ia 1 1 dn e i m e n g g up r 0 v i n c e s t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ea i rc o o l i n gs y s t e mi s t ol e a dt 1 1 eg a s 丹o mm es t e a mt u r b i n et 0c o o l i n gf i nw h i c hi s4 0m e t e r sh i g h ，m e n ， c o o lt 1 1 eg a su s i n ga i ro u t s i d em ep i p ea n d 嘶n d 舶mt h ec o o l i n gf 犯c h a n g et h eg a s t ow a t e r ，a i l dn o wc 0 1 l e c tt l l ew a t e rt oc o n d e n s a t i o n a lw a t e rt 越墩t h r o u g ht h e r e p r o c e s s ，m a l ( et 1 1 eg a sc y c l ei nt h ep i p ea n du s et 1 1 ew a t e rt i m ea 盘e rt i m e t h i s t e c l l l l o l o g yw a sc a l l e da i rc o o l i n gs y s t e m b e c a u s et h es t r u c t u r eo ft 1 1 ea i rc o o l i n g s y s t e m1 0 0 k sl i k ea s t e e lm a k ei s l a n d ，s oi ta l s oc a n e da i rc 0 0 1 i n gi s l a n d t o d a y ，t h ef e am e t h o dh a sb e c o m ep e r f e c tw i t ht h ed e v e i o p m e n to fc o m p u t e r t e c h l o l o g y c o m p u t a t i o n a lm a t h e m a t i c s ，c o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sa n dc o m p u t i n g t e c h n i q u e t h em e t h o dw a sw i d e l yu s e di ns t r u c t u r ea 芏l a l y s i s ，s t r e n g t hc h e c ka n d s t m c t u r ed e s i g n f o rt h ep u 叩o s et oi m p r 0 v ed e s i g na b i l i t ) ，f o rc o m p a n y i nt h ed e s i g n p r o c e s s ，t h ep r o d u c tn e e dc e a s e l e s sm e i i o r a t et oa c h i e v eb e s tp r o d u c t ，t h i sm a k et h e f e am e t h o d 、i d e l yu s e di nd e s i g np r o c e s s i nt h i sp a p e r ，t h r o u g hm ef e am o d e lc r e a t i o na n df e aa n a l y s i sf o rt h ep i p es y s t e m o fa i rc o o l i n gi s l a n d ，t of i n dt h ed a n g e rp a no ft h ep i p ea n dt h er e a c t i v ef o r c eo f i n t e r f a c e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ，m a k es o m eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h e p i p es y s t e m ，b u i l dt h en e wf e am o d e la c c o r d i n gt oo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dt h e n a n a l y s i st h en e wm o d e l ，d e s i g nt h ep i p es y s t e mb a s eo nc a da n dc a ec l o s e d1 0 0 p d e s i g nt oa c h i e v et h eb e s tr e s u l t a tt 1 1 es 锄et i m e ，i td e v e l o p e da f e aa n a l y s et o o l f o rt e e ，r 印l i c a t ea i l de n ds h i e l do fp i p es y s t e m ，t h i sm a k ei tv e r yc o n v e n i e n tt od e s i g n t h es 锄ek i n do fp a r t si nt h ef i u t u f e k e yw o r d s ：a i rc o o l i n gi s l a n d ，p i p es y s t e m ，f e a ，t o o ld e v e i o p m e n t 西北工业大学业学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：玉! 】i 盐丕 ? 盯7 年多月蜥 指导教师签名： 砷年夕月矶 西北工业大学学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：蔓：lz 生a 幺。 沙7 年多月相 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及国内外发展现状 火力发电厂的建设必须具备燃料和水两大丰富资源的条件，但实际上燃料资 源丰富的地区不一定有丰富的水资源，如伊朗、沙特、南非和我国的“三北”地区， 虽然燃料资源丰富，但水资源贫乏，采用空冷系统是解决这一问题的有效措施之 一该技术较我国传统的凉水塔间接冷却方式可节约百分之三十的水资源，对于 象内蒙、山西这样的缺水省份来说，为节约珍贵的水资源、保护当地的环境和可 持续发展有重大意义。在这些地区目前新建的火电机组中，具有巨大节水潜力的 直接空冷机组将占有相当大的比例，在可以预见的将来，我国火力发电机组中， 直接空冷技术的应用水平和规模都将处于世界前列【m 】。 2 0 世纪3 0 年代，空气凝汽技术在欧洲产生，目前，已投运机组采用的空冷 系统主要有3 种类型：( 1 ) 直接空冷系统；( 2 ) 带混合式凝汽器的间接空冷系统， 亦称海勒式空冷系统；( 3 ) 带表面式凝汽嚣的间接空冷系统，亦称哈蒙式空冷系 统。此3 种空冷系统在世界上被广泛的应用着，且取得了不错的业绩【2 】【3 】。在我 国，1 9 8 7 1 9 8 8 年，大同第二发电厂投入1 台2 0 0 m w 海勒式间接空冷机组，1 9 9 2 年，丰镇电厂相继投入4 台海勒式间接空冷机组，1 9 9 3 1 9 9 4 年，太原投入2 台 哈蒙式间接空冷机组，为我国电厂空冷事业的发展奠定了基础。2 0 0 3 年，山西 大唐国际云冈热电有险责任公司2 2 0 0 m w 直接空冷机组投运。2 0 0 4 年秋，山 西漳山发电有限责任公司2 3 0 0 m w 直接空冷机组投运。2 0 0 5 年，大同二电厂2 台6 0 0 m w 直接空冷机组投运。说明我国直接空冷系统这几年发展很快。据不完 全统计，当前已建和在建的单机容量1 3 5 m w 及以上的直接空冷发电厂共3 1 座， 总装机容量约2 8 1 8 0 m w ，其中己投产2 6 台，装机容量9 0 7 0 m w 【2 1 。国外的空冷 技术发展较早，在1 9 3 9 年，德国就首先在鲁尔矿区的1 5 m w 气轮机组应用了直 接空冷系统。5 0 年代，卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站1 3 m w 机组和意大利的 罗马电厂3 6 m w 机组分布投运了直接空冷系统。进入6 0 年代后，英国拉格莱电 厂于1 9 6 2 年在一台1 2 0 m w 机组上投运了间接空冷系统，采用了混和式凝汽器 和自然通风型空冷塔。至此，形成了直接和间接两种空冷系统共存的局面。继而， 1 9 7 1 年，在苏联拉兹丹电厂的几台2 0 0 m w 级的机组上，都应用了混和式间接空 冷系统。8 0 年代以来，空冷技术迸一步发展起来，其中投运机组容量最大的电 厂有南非的马廷巴电厂和南非肯达尔电厂1 4 】。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 研究内容 迄今为止对空冷岛排汽管件系统的结构有限元分析研究在国内尚属空白，我 国目前采用的管件系统结构大部分为国外设计，如何理解设计意图，使设计和将 来的施工适合中国国情并不断有所创新，是急需解决的问题。 为解决这一问题，本文对这种新型的管件系统进行有限元计算分析研究，以 期掌握该结构的受力特点和结构特性，为今后的设计和计算提供依据和参考。 本次课题研究主要内容有以下几个方面： c a d 系统中管件系统几何模型的建立及c a d 系统与c a e 系统的连接。 c a e 系统中管件系统有限元网格模型的建立。 管内真空度、温度、不均匀沉降和地震载荷等共同作用下管件系统静强 度有限元分析。 管件系统在地震激励作用下的地震响应谱分析。 管件系统三通、折转和端盖等局部结构的实用工具模块开发。 1 3 研究方法及预期结果 根据课题中管件系统的二维零件图和装配图，使用三维c a d 软件u g 绘制 出管件系统的三维实体模型，利用u g 软件和a i l s y s 软件的接口程序，将三维实 体模型读入到a n s y s 软件中进行有限元离散化。 管件系统的有限元模型建立方法：由于壳单元( s h c i l 6 3 ) 能承受施加于结构 上的各种力和力矩，并能反映结构在各种力和力矩的作用下产生的各种变形和应 力，且在所研究的管件系统中管予壁厚与管子直径相比均小于1 1 0 ，满足a n s y s 软件中壳单元的应用条件，因此采用壳单元对管件系统的管道部分进行有限元网 格化分。对于管件系统中拉杆，倒流板的支杆等杆件结构，采用梁单元( b e 锄4 4 ) 进行有限元网格划分。为了节约计算时间，在结构均匀，无突变等部位采用稀疏 网格，而在可能出现应力集中的结构突变和折转部位加密网格以提高分析精度。 在管内真空度、温度、不均匀沉降和其它外部荷载作用下，利用建立的管件 系统有限元模型，对其进行静强度的有限元分析，在进行静强度分析时考虑不同 载荷的组合工况，如管内不同的压力值、不同的工作温度等进行工况的组合，找 到最危险工况并计算其应力场和位移场分布，确定结构的危险部位，并与结构的 许用应力进行比较，分析其是否满足强度要求，为工程设计提供了参考和依据。 同时按照课题中管件系统的抗震级数，利用a n s y s 软件的地震响应谱分析功能， 对整个大型组合管件系统进行地震激励下的响应谱分析，确定整个管件系统的振 动特性，并对阻尼器位置布置提出建议。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 根据课题中对空冷岛管件系统结构强度的有限元分析结果，针对管件系统中 的折转、三通和端盖等局部结构开发基于a p d l ( a n s y sp 猢e t r i cd e s i 髓 l 觚g l l a g e ) 语言的有限元分析工具模块，实现了局部结构从几何建模到有限元分 析这样一个完整的操作流程，改变了传统的设计方式，缩短了设计周期，对提升 此类零件快速设计水平具有重要的现实意义。 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 根据西北电力设计院提供的6 0 0 m w 工程管件系统的零件图和装配图，利用 三维c a d 软件u 0 绘制出各零件的三维实体模型，然后根据各零件之间的装配 关系，将其装配成整个管件系统的三维实体模型，在此基础上使用a n s y s 有限 元分析软件进行有限元网格剖分、载荷与边界条件的定义与力学分析。 2 1 几何模型 图2 1 1 所示为管件系统的三维三视图( 由于对称只显示了一半) 。为了便 于建模以及划分有限元网格，对原c a d 模型进行了合理的简化处理：首先，由 于管道的尺寸远大于其厚度，建模时将管道简化为壳结构，同时将拉杆、支架简 化为梁，并以紫色部分表示膨胀节：其次，尽量反映更多的细节，原c a d 模型 中所有加强筋均在模型中反映出来，并简化为壳，但一些对结构应力分析影响不 大的细节被忽略了，比如局部的倒角、倒圆等。 ( _ ) 主视图 4 ( b ) 左视图 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 ( c ) 俯视图 图2 1 1 管件系统的三维实体模型 导流装置 图2 1 2 、图2 1 3 是图2 1 1 中、处的导流装置，、处同处相似， 但尺寸不一致。导流装置由若干导流片和拉杆组成，其中导流片简化为壳，拉杆 简化为梁。拉杆固定在筒壁上，并穿过所有导流片以固定支撑导流片。根据设计 要求，对壳单元给定不同的实常数进行模拟，分别得到如图2 一l - 2 和图2 1 3 所 示的导流装置。 图2 - l - 2 导流装置图2 1 刁导流装置图2 1 - 4 三通部件图2 一1 5 加强筋 三通部件 图2 1 4 是管件系统三通部件，如图2 1 1 中所示。三通部件由两根不同 管道相贯而成，同时为了便于气流流通，设计了一定的缓冲过度结构，在图2 - 1 4 中两条相贯线l 和2 相切。为了保证三通部位的连接强度，还在三通部位设计了 特殊的加强筋( 图2 1 4 中标注为3 ) ，其三维模型如图2 _ l - 5 所示。 支吊架 图2 1 - 7 是排汽管道低位横断处( 放大图如图2 1 - 6 所示的a 、b ) 的支架，图 2 1 8 是此处的吊耳( 放大图如图2 1 6 所示的c ) ，吊耳中间有拉杆( 如图2 - 6 中绿色线所示) 穿过，图2 - 1 9 、图2 - 1 1 0 的吊架如图2 1 一l 中、所示，而 、处的吊架同处的吊架相似。 西北工业大学硕士学位论文 第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 图2 1 ，6 排汽管低位横断处放大窗 图2 1 - 7 捧汽管低位横断处的支架 图2 1 8 吊耳 图2 1 9 吊架( 1 ) 图2 - l 1 0 吊架( 2 ) 端盖 端盖为管道的密封部位，为了保证其强度和刚度，在端盖表面焊接了工 字梁，其实体模型如图2 - 1 1 1 ( a ) 。在a m s y s 中建立端盖有限元模型时，用 梁单元来模拟工字梁，对不同的工字梁设置不同的截面参数。如图2 - l - 1 1 ( b ) 。 支架 立管支架是独立的钢结构支架， 和扭转。支架简化模型如图2 - 1 - 1 2 ， 6 用来承受管道荷载并限制立管水平位移 它由各种不同截面参数的工字梁构成。 西北工业大学硕士学位论文 第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 图2 1 1 l ( a ) 端盏实体模型图2 1 - 1 l ( b ) 端盖有限元模型 2 2 有限元模型 图2 - 1 1 2 钢支架示意图 按照6 0 0 m w 管件系统设计图要求，首先u 0 软件中建立管道的三维实体模 型，然后将模型导入到a n s y s 软件中划分有限元网格，得到管件系统的有限元模 型。整个过程可以分成以下几个步骤： u g 实体造型，生成p a n 文件 将u g 的实体模型导入a n s y s 将实体模型进行分割，生成不同的模型部件 分别对不同的模型部件进行划分网格 组装所有的模型部件，得到整体有限元模型 2 2 1 单元类型的设定 本课题采用大型有限元分析软件a n s y s 进行管件系统的有限元分析计算。在 锅炉和电厂的排汽管道类压力容器设计行业中，a n s y s 软件占据了国内9 5 以上 的市场份额，成为压力容器分析设计事实上的标准5 1 。尤其是在1 9 9 5 年发布了 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器分析设计标准后，有限元的应用更是上了一个台 阶。a m s y s 软件依靠它的卓越的表现，成为第一个通过中国压力容器标准化技术 委员会认证并在国务院十七个部委推广使用的分析软件。 在有限元分析计算中，对于不同的结构类型，需要采8 2 0 2 1 5 小于1 ，1 0 ，满 足舢唧s 软件中壳单元的应用条件，同时壳单元能承受施加于结构上的各种力和 力矩，并能反映结构在各种力和力矩的作用下产生的各种变形和应力，因此采用 壳单元对管件系统的管道部分进行有限元网格划分。 其余的部件如拉杆、支架、吊架等按照其自身的结构特点，选取梁单元 ( b e a m 4 4 ) 来模拟：对于膨胀节和阻尼器，采用a i l s y s 中的弹簧单元 ( c o m b i n l 4 ) 模拟；通过对弹簧单元设置不同的属性来模拟膨胀节和阻尼器； 质量块的模拟采用质量单元( m a s s 2 1 ) 类型。具体如图2 - 2 1 1 所示。 ( a ) 单元类型颜色示意图( ”局部放大图 图2 - 2 1 1 单元类型颜色显示图 在图2 - 2 1 1 中，不同的颜色代表一种单元类型，单元类型由表2 2 1 - 1 给出。 表2 五1 1 单元类型属性表 2 2 2 定义材料参数 根据当地气象条件，管道、附件、支吊架等采用q 2 3 5 一b ，材料常数见表格 2 2 - 2 - 1 。 8 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 表2 - 2 - 2 一lq 2 3 5 - b 材料常数 2 0 _ 2 1 6 m p a 吼2 0 _ 3 7 2 m p a 瓯1 2 0 - 1 1 9 m p a = o 3 为材料在2 0 a c 的屈服强度最小值。气为材料在2 0 0 c 的抗拉强度最小值。 由材料的短时拉伸性能( 、) 除以相应的安全系数( 、) 而得。我国分析设计的行业标准j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器分析设计标准中， 一般钢材取宅6 ，n = l 。5 ，栉= 1 5 。 瓯2 曲悟詈，爿 由于材料属性是随温度变化的，下表给出不同温度下的材料属性。在分析过 程中，按照不同的工况组合给定相对应的材料属性。 表2 之2 - 2 材料的杨氏模量 2 2 3 网格划分 a j l s y s 网格划分主要有两种方式：一、m a p p e d ( 映射划分) ，二、f r e e ( 自 由划分) 。在对空冷岛管件系统进行有限元网格划分时，本课题综合采用了两种 网格划分方式。采用整体刨分一局部网格划分一组装整体模型这样一个网格划分 流程，建立的管件系统有限元模型如图2 2 3 1 所示。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 2 3 有限元模型的验证 图2 - 2 3 1 有限元网格模型图 为了确保有限元模型在计算分析过程中的精度以及网格划分的合理性和准 确性，本文从模型的对称性和压力自平衡性两个方面对该有限元模型进行验证。 i o 西北工业大学硕士学位论文第二章空冷岛管件系统有限元模型的建立 2 3 1 模型的对称性 由于模型是关于y - z 平面对称的，施加对称载荷后模型的变形量也应该是关 于y 艺平面对称。本文在施加对称载荷( 重力载荷) 求解后，得到了该模型的x 向位移分布云图，如图2 3 - 1 l 所示。从该云图中，看到x 向的位移是对称的， 也就表明了该模型是关于y - z 平面对称的。 2 3 2 压力自平衡性 图2 - 3 1 1x 向位移云图 根据经典力学理论，一个封闭容器在内压作用下应该是自平衡的。本文分析 的这个管件系统是全封闭的，因此，对其进行压力平衡测试，求解后它的约束端 的各反力分量为零，表明该有限元分析模型是压力自平衡的。 2 4 本章小结 有限元网格划分是进行有限元计算分析的第一步，它决定着有限元分析的准 确性。在本章中，通过对大型管件系统进行有限元网格划分，得到了管件系统的 的有限元模型，并通过对称性和压力自平衡性的验证表明了有限元模型的可行性 和准确性，为下面的管件系统的有限元分析计算提供了保证。 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 第三章空冷岛管件系统的载荷说明 a n s y s 是一个无量纲的结构分析软件，在进行有限元分析时要保证单位制的 统一。在本课题中，模型的长度单位为毫米( 哪) ，时间单位为秒( s ) ，质量 单位为千克( k g ) 。其它单位为导出单位，如力的单位为毫牛( i n n ) ，压力单位 为千帕( k p a ) 。本文采用的单位换算如表3 1 所示。 表3 1 单位换算表 完整的有限元分析过程包括：有限元网格生成一施加载荷和边界条件一求解 一结果分析四个主要步骤，按照这个思路，本文分别进行了管件系统的结构静强 度分析和地震激励下的反应谱分析，下面分别对静强度分析和反应谱分析的载荷 进行介绍。 3 1 管件系统结构静强度分析的载荷 对管件系统进行有限元分析采用如图1 2 3 1 ( a ) 所示的有限元模型。在本 课题中，空冷岛管件系统有限元分析中主要包含以下五大类载荷： 位移约束( d o fc o 璐t f a i n t ) ，例如结构分析中的自由度约束和不均匀沉降。 力( f o r c e ) ，例如结构分析中的弹簧附加力。 表面载荷( s u 面c el o a d s ) ，例如结构分析中的压力。 体载荷( b o d yl o a d s ) ，例如结构分析中的温度。 惯性载荷( i n e 币a l o a d s ) ，例如结构分析中的重力加速度。 3 1 1 接口位移值 在本课题中，不同的载荷工况对应不同的接口位移值，主要分为正常工况， 风与地震工况两种不同的接口位移值，见表3 1 1 1 和表3 1 1 2 。节点号为图 3 1 1 1 中对应的节点编号。x 向由扩建端指向固定端，y 向由空冷岛指向汽机 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 岛，z 向垂直向上。 图3 1 1 - l 管件系统各端口在a u t o c a d 中的节点编号 表3 1 1 1 静载荷工况接口位移值( m m ) ( 正常工况) 仅有 热态有沉冷态有热态有冷态有仅有沉沉降 热态冷态 降( 空冷沉降( 空 沉降( 机 沉降( 机降( 空冷 ( 机 方操作操作器)冷器)座)座)器) 座) 节点号向 d ld 2d 3d 4d 5d 6d 7d 8 9 0 0x- 6- 6_ 6- 66- 6oo y4 0 _ 2 04 0 z- 4- 45 5 1 9 0 0x222 y4 0 - 2 04 0 z- 225 3 2 9 0 0x 22- 2 y4 0- 2 04 0 z- 2- 25 3 3 9 0 0x- 22- 2 y4 0- 2 04 0 z2- 25 3 1 3 9 0 0x- 22- 2 y4 02 04 0 z 2 2 - 5 3 1 2 9 0 0x- 22 - 2 y4 02 04 0 o 0 o o o o o o o o o o o o o o o 5 o o 5 0 o 5 o 0 5 0 o 5 o 0 珊4：珈之之珈五之珈之之珈之之锄 们4 2之之之也蚰之o也也珊彤2珊彤五珊彤乏锄彤之渤彤也珊 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 - 2 - 2 4 0 2 6 4 0 - 4 0 9 - 3 _ 3 4 7 - o 4 - 3 3 5 3 - 2 4 0 5 3 6 4 0 - 5 5 0 9 - 3 3 4 7 m 4 - 3 3 2 - 2 4 0 2 6 4 0 _ 4 0 9 3 3 - 4 6 5 - o 4 3 3 z4 7o4 7 o一4 6 55 lo- 5 1 表3 1 1 2 静载荷工况接口位移值( m m ) ( 有风载荷和地震载荷工况) 风，地风、地风、地风、地风、地风、地风、地 震+ x 震 震+ y震- y 震+ x震一x 震+ y 风、地 加空加空加空加空加机加机 加机 震- y 热态冷器冷器冷器 冷器座沉座沉座沉加机座 节点方操作 沉降沉降沉降沉降降降降沉降 号向d 1 d 2d 3d 4d 5d 6d 7d 8 d 9 9 0 0 x石5 35 3225 3_ 5 32 2 1 9 0 0 2 9 0 0 3 9 0 0 1 3 9 0 0 1 4 o o 0 o o o o o o 5 o o 5 o o 5 0 o 5 0 o o 0 o 也之如之64 o o 引o o 彤之锄彤6瑚彤o o o o o 之之之64 o o o o o z x y z x y z x y z x y ， m 啪 啪 m 洲 舛。，o，的o。棚 舛 如，的o钞0的 j 4 粥4 o 彤d o舶。o彤j 4 4帖中o奶d o0以搿珊。抛蜘。书捌，巾舣。柳“锄，如椰。的吲。盼捌，的 4琊彤4捌彤d捌 都。规书d刁钔稻4引钉d踟躬。规以 4 2柏之也之之乏。柏 y z x y z x y z x y z x y 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 1 0 0 1 0 3 1 2 恒力弹簧力 为了与支架、端口等一起平衡整个管件系统的重力，需要施加一定的恒力弹 簧吊力，恒力弹簧力等效成施加在模型上的集中载荷。在只施加重力和约束的情 况下，求解得到恒力弹簧力。施加恒力弹簧力的位置如图3 1 2 1 所示，恒力弹 簧力值在表3 1 2 1 中列出。 图3 一l 一2 1 恒力弹簧加载位置示意图 t s o钞o拍o弛o o o 卯o o o l钞o拍o船o 0 o 研o o o m 。o 彤3 o 郴7 o o o 捌o o o躬o3 o 船7 o o o 甜o o 捌。埘捌。舶聊，sj：栅o o o o o 捌的捌。铂捌。船捌o o o o o 跏舶。捌彤3跏郴7搿o o o o o 铘钉。捌3 m 铝7 搿o o o o o之也加之。幻也。如4晒椰们肌 z x y z x y z x y z x y z x y 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 3 1 3 地震载荷 结构地震分析理论是近一百年来发展形成的一门新兴学科。由于结构地震响 应决定于地震波和结构的动力特性，因此，地震响应分析也随着人们对这两方面 的认识而发展。根据计算理论不同，地震响应理论的发展过程可划分为结构强度 理论、反应谱理论和动力理论三个阶段1 6 j 。 本文的地震载荷分析采用基于结构强度理论的结构强度法。结构强度法假定 整个上部结构随地面做刚体平移运动，则结构各个质点上的水平地震作用最大值 即为该点质量与地面运动最大加速度的乘积，将得到的水平地震作用施加在弹性 结构上，得到结构的地震响应。结构强度法未考虑上部结构变形对地震作用的影 响，也未考虑地震作用随时间的变化及其与结构动力特性的关系，这时的结构强 度法的结果具有较大的近似性【6 】。 当地震基本烈度分别为7 度和8 度时，地震载荷值见表3 - 1 3 一l 。 表3 1 3 1 不同烈度下的地震载荷 注：u 1 ：地震荷载工况1 对应的x 向地震加速度。 u 2 ：地震荷载工况2 对应的y 向地震加速度 u 3 ：地震荷载工况3 对应的z 向地震加速度 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 ， 3 2 管件系统结构的应力分析设计方法 应力分析设计的基础是对容器关键部位逐一进行应力分析，并对载荷和应力 进行分类，不同应力类别具有不同的许用应力值。 3 2 1 应力分类 塑性理论指出，由弹性应力分析求得的各类名义应力对结构破坏的危险性是 不同的。根据等安全裕度原则，危险性较小的应力可以比危险性较大的应力取更 高的许用应力强度值【7 j 。用各种应力的作用及性质判断其危险性并给予不同的控 制值。 ， 在压力容器的应力分析设计过程中，压力容器部件设计所关心的是应力沿 壁厚的分布规律及大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”来代替校核截面。而基于 弹性力学理论的有限元分析方法，是一种对结构进行离散化后再求解的方法。即 它计算出来的是结构离散化后结点的应力值。为了获得所选“校核线”上的应力 分布规律及大小，就必须对结点上的应力值进行后处理，即应力分类。目前应力 分类的方法有多种，文献【s 】对三种应力分类方法的原理进行了比较。根据对所选 “校核线”上的应力进行分类。得出各类应力的值，若满足强度要求，则所设计容 器是安全的1 7 j o 由板壳理论和弹性力学求解出的应力，根据应力产生的原因和导出应力的方 法可分为三类共五种，即一次总体薄膜应力只、一次局部薄膜应力月、一次弯 曲应力最、二次应力q 、峰值应力f 。对其各自的作用机理和应力强度极限可 参考文献【9 】。 3 2 2 各类应力的限制条件 根据j b 4 7 3 2 9 5 钢制压力容器一分析设计标准中强制性附录4 规定，可 以得到日组，己组、曰+ 忍组、弓+ b + q 组和0 + 忍+ q + ，组，根据强度理 论，由只导得一次局部薄膜应力强度s ：由己导得次总体薄膜应力强度s 。； 由弓+ 只导得一次薄膜加一次弯曲应力强度墨i i 由毋+ 最+ q 导得一次加二次应 力强度s ，；由日+ 只+ q + f 导得峰值应力强度品。 以上所求的5 个基本应力强度值，根据j b 4 7 3 2 - 9 5 钢制压力容器一分析设 1 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 计标准中5 3 各类应力强度的许用极限，应依次满足下列强度条件。 表3 2 _ 2 15 类应力强度应用条件 墨1 5 k s 。l k 瓯最。；1 5 k 瓯3 k 最品s e 其中，k 为载荷组合系数，无偶然载荷k 取1 o ，有风和地震载荷k 取1 2 ； & 为设计应力强度( 见表2 - 2 2 1 ) ，本文中& 1 2 0 取1 1 9 m p a ；e 为在所考虑的 条件下，以给定的循环次数运行时，运用设计疲劳曲线所得的应力幅度值，取值 为4 8 2 m p a 。根据表3 2 - 2 - l 中5 类应力强度的应用条件，导出5 类应力强度的 许用应力值，见表3 - 2 2 - 2 。 表3 - 2 2 - 2 应力强度的校核条件 若最大应力发生在焊缝处，作为强度校核的许用应力应考虑焊接接头系数， 根据g b l 5 0 - 1 9 9 8 钢制压力容器，焊接接头系数p 应根据受压元件的焊接接头 型式及无损检测的长度比例确定。 ( 1 ) 双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头： l o o 无损检测q = 1 0 局部无损检测母= o 8 5 ( 2 ) 单面焊对接接头( 沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板) ： 1 0 0 无损检测q = o 9 局部无损检测q = o 8 该排汽管道上的焊缝是局部无损检测，有双面焊，也有单面焊，因此这里取 币= o 8 。此时各类基本应力强度值，应依次满足下列强度条件才能保证安全。 表3 - 2 2 3 焊缝处5 类应力强度应用条件 ss 1 5 娜s is l 如瓯s ns 1 5 脚瓯s r 3 脚瓯 昂甲岛 西北工业大学硕士学位论文 第三章空冷岛管件系统的载荷说明 表3 也2 4 焊缝处应力强度的校核条件 3 3 管件系统中提取各类分析结果的说明 在本课题中，为了给设计人员提供更多的设计参考和依据，将提取管件系统 的以下几种有限元分析结果： 空冷岛与汽机岛十个端口处的反力与反力矩。目的是为了提供给设备方校 核接口载荷是否能够接受。提取结果的端口位置如图3 3 1 所示。图中l 、 2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 对应c a d ( 如图3 1 1 1 所示) 中1 0 9 0 0 、 1 1 9 0 0 、1 2 9 0 0 、1 3 9 0 0 、3 9 0 0 、2 9 0 0 、1 9 0 0 、9 0 0 、1 0 0 1 0 、l o 号节点。 图3 - 3 1 接口反力与反力矩的位置示意图 提取管件系统耦合处反力与位移。目的是确定钢支架的刚度。提取结果的耦 合位置如图3 3 - 2 所示。 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 图3 - 3 2 耦合处位置示意图 管件系统拉杆内力。目的是为了校核承受的载荷是否合理，并根据受力来决 定拉杆的截面。提取结果的拉杆位置如图3 3 3 所示。 图3 3 3 拉杆位置示意图 管件系统滑动支架约束处与地面接触处的反力与位移。目的是为了提供基础 载荷并设计支吊架。提取结果的约束位置如图3 - 3 4 所示。 图3 - 3 4 约束处位置示意图 管件系统恒力弹簧支吊点处位移。目的是对弹簧进行设计。提取结果的支吊 西北工业大学硕士学位论文第三章空冷岛管件系统的载荷说明 点位置如图3 3 5 所示。 3 4 工况组合 图”- 5 恒力弹簧支吊点位置示意图 3 4 1 正常载荷工况组合( 无偶然载荷工况) 冷态工况w + h + d 7 ( 仅有空冷器沉降) 冷态工况w + h + d 8( 仅有机座沉降) 冬季运行w + h + d 1 + t l + p l 夏季运行w + h + d 1 + 他+ p 2 设计工况( 正压) w + h + d l + t 3 + p 3 阻塞背压工况w + h + d 1 + 1 h + p 4 低温工况、h - 巾2 + t 5 冬季运行( 空冷器沉降) w + h + d 3 + t 1 + p l 夏季运行( 空冷器沉降) w + h + d 3 + 1 陀+ p 2 设计工况( 正压) ( 空冷器沉降) w + h + d 3 + t 3 + p 3 阻塞背压工况( 空冷器沉降) w + h + d 3 + t 4 + p 4 低温工况( 空冷器沉降) w + h + d 4 + t 5 冬季运行( 机座沉降) w + h + d 5 + t 1 + p l 夏季运行( 机座沉降) w + h + d 5 + 1 2 + p 2 设计工况( 正压) ( 机座沉降) w + h + d 5 们+ p 3 阻塞背压工况( 机座沉降) w + h + d 5 + 1 4 + p 4 低温工况( 机座沉降) w + h + d 6 + t 5 设计工况( 真空) w + h + d l + t 3 + p 5 设计工况( 真空) ( 空冷器沉降) w + h + d 3 + t 3 + p 5 设计工况( 真空) ( 机座沉降) w h + d 5 + 1 r 3 + p 5 2 l l z 王t & z & 吼m n 他n m：。插体坶加 西北工业大学硕士学位论文 第三章空冷岛管件系统的载荷说明 2 1 低温启动工况、种h + d 2 + t 5 + p 5 2 2 低温启动工况( 空冷器沉降) w + h + d 4 + 1 5 + p 5 2 3 低温启动工况( 机座沉降) w + h + d 6 + t 5 + p 5 符号说明； w ：自重工况。仅考虑自重，不考虑热膨胀 h ：弹簧附加力 d l ：位移工况l ( 熟态操作) d 2 ：位移工况2 ( 冷态操作) d 3 ：位移工况3 ( 热态空冷器沉降) d 4 ：位移工况4 ( 冷态空冷器沉降) d 5 ：位移工况5 ( 热态机座沉降) d 6 ：位移工况6 ( 冷态机座沉降) d 7 ：位移工况7 ( 仅有空冷器沉降) d 8 ：位移工况s ( 仅有机座沉降) t l ：温度工况l ( 冬季) 5 1 9 3 1 r 2 ：温度工况2 ( 夏季) 6 9 1 2 ”：温度工况3 (