毕业设计（论文）-蒸汽管道部分支吊架严重偏斜问题的研究.doc

内蒙古工业大学本科01be85b0feef71064f8a99552ce6d88b.pdf学校代码： 10128学 号： 200720904062 本科毕业论文题 目：蒸汽管道部分支吊架严重偏斜问题的研究学生姓名： 学 院：理学院系 别：力学系专 业：理论与应用力学班 级：理论与应用力学07指导教师： 指导教师： 教授二 一 一 年 六 月摘要火力发电厂汽水管道支吊架状态异常时，会改变管道的应力分布，影响管道的安全性。本文讨论了支吊架偏移问题产生的原因及其对管道应力的影响，管道支吊架设计是管道设计的重要任务之一。受影响的管道因素有：工作参数、管材与规格；管件各元件及保温自重；支吊架配置、类型及型号等。诸多原因中最重要的是支吊架的状态。其性能的好坏直接影响到管道及设备的安全可靠性。本文介绍了火电厂管道支吊架设计的合理步骤、管道支吊架分类及构成；并详细阐述了管道支吊架的设置选用及注意事项。简单介绍了有限元ANSYS的功能，并且利用软件对现实中出现的问题提出了合理可行的改造方案。关键字：管道；支吊架；分析计算；ANSYS；有限元 AbstractWhen abnormal situation occurs to the support and hanger of steam and water pipe in thermal power plantIt will change the distribution of the pipes，endangering the safety of themSteam-water pipes design is one of the important tasks of pipeline design. Piping stress influence factors: the operating parameters of piping, tubing and specifications; tube weight of all components and insulation; support and hanger configuration, type and model and so on. Many reasons the most important is the hanger state. Its performance has a direct impact on the safety of pipelines and equipment reliability. This paper introduces the reasonable steps of the design of steam-water pipes, the classification and composition of steam-water pipes, elaborates the set selection and notice of steam-water pipes and introduced the Ansyssoftware briefly。Besides ,I used the software to make out a program to resolvethe problem.Keywords: Pipeline; rack; analysis and calculation; ANSYS；Finite element目 录引言（绪论） 1第一章 管道支吊架 21.1 管道支吊架的简介 21.2 支吊架的功能与类型 2 1.3 可变弹簧支吊架 4 1.4 恒力弹簧支吊架 4 1.5 支吊架布置设计基本原理 5 1.6 管道应力分析 51.6.1 第一应力分析 5 1.6.2 第二应力分析 6 1.7 管道支吊架的状态检验 6 1.7.1 支吊架状态检验目的 6 1.7.2 支吊架检查核对 7 1.8 支吊架设计中的注意问题和调整方法 8 1.8.1 设计中注意的问题 8 1.8.2 比较实用的调整方法 9第二章 有限元相关理论及软件介绍 102.1 有限单元法 102.2 ANSYS有限元分析软件 112.2.1 ANSYS简介 112.2.2 ANSYS功能及模块简介 122.2.3 非线性分析122.2.4 ANSYS产品主要分析功能 13第三章 热电厂的再热蒸汽管道支吊架的研究14 3.1 再热蒸汽管道支吊架的概况143.2 再热蒸汽管道及支吊架布置示意图143.3 热应力计算22 3.3.1 再热蒸汽管道自重的计算15 3.3.2 弹簧的重力承载153.3.3 热态应力分析163.3.4 热态下有限元分析18 3.4 冷态下支吊架的计算233.5 结果讨论243.6 分析改进25结论 26参考文献 27谢辞 2828引言火力发电厂汽水管道的破坏原因有多种，但都可归结为管道的实际应力超过了其材料的承载能力。对于任何一个受力部件，只要其应力低于材料的实际强度，就不会发生破坏，而当应力达到或超过材料的强度时，再好的材料也会发生破坏。因此，确定汽水管道的安全性时不仅要考虑其材料性能，还应考虑管道的实际应力情况。汽水管道的应力通常由内压、自重、热膨胀等产生，其中自重、热膨胀产生的应力主要取决于管道及支吊架的布置。在管道安装完毕后，管道布置和管道尺寸已经固定，因而其内压应力是确定的。但由于安装、运行及检修等多方面原因，管道、支吊架布置及载荷可能与设计要求偏离，特别是经过长期运行后管道的热位移与支吊架载荷可能发生大的改变，由此可能造成管道热位移受阻、支吊架损坏、脱空或压死等，使管道的局部应力增加，加速管道的损伤，影响到管道的安全性。管道是动力、石油、化工、电力等装置的重要组成部分之一。管道支吊架是管道系统的重要组成部分。管道支吊架设计又是管道设计的重要任务之一。在设计中，合理布置和正确选择支吊架对管道和设备安全运行起到重要作用。管道支吊架设计不当，会使管道系统在运行中损坏管道组成件，更严重的使设备受损或运行中被迫停车，应引起管道支吊架设计者的重视在设计中，合理布置和正确选择支吊架对管道和设备安全运行起到重要作用。因此，对长期运行的汽水管道支吊架应进行检验和调整。热电机组长时期运行后，由于安装及维护等原因，管道支吊架存在较多管系安全问题，本文对机组管道支吊架提出整改方案。第一章 管道支吊架1.1管道支吊架的简介近几年，我国电力事业的高速发展，对电厂安全可靠性要求越来越高，管道系统在电厂中被大量使用。管道系统一般由主管线和支管线组成，因而管道的空间走向和受载情况十分复杂，致使管道应力分析十分复杂。管道支吊架是管系的重要组成部分之一,它的功能主要是承受管道载荷、限制管道位移、控制管道振动。管道支吊架的状态好坏直接影响管道的实际应力情况。管道支吊架的合理设置对管系一次应力的大小起着至关重要的作用。正确合理地选用支吊架,使管道局部产生小变形,就能降低二次应力,使管系适应变形的需要。管道系统的布置包括管道空间走向设计和支吊架布置，其中支吊架布置是管道工程中重要的一部分，管道支吊架布置包括确定支吊架位置和支吊架功能选择。在设计过程中，对于简单的管道系统按管道布置导则设计即可满足设计要求，但对于复杂管道系统则需要借助于有限元法进行管道系统的应力分析，根据计算结果不断地调整支吊架设计才能达到设计要求。1.2 支吊架的功能和类型管道支吊架的分类与结构组成管道支吊架的种类很多，按功能和用途可分为4大类8小类，详见表1。从管道支承的结构及连接关系等方面考虑，管道支吊架有管部附着件、连接配件、特殊功能件、辅助钢结构及生根件等组成。如表一所示： 表1 管道支吊架的分类大分类小分类序号名称用途序号名称用途1承重支吊架用来承受管道的重力及其它垂直向下荷载的场合1刚性支吊架无垂直位移的场合2可调刚性支架无垂直位移、安装误差严格的场合3弹簧支吊架有垂直位移的场合2限制性支吊架用来阻止、限制或控制管道系统热位移的场合4固定支架在固定点处不允许有线位移和角位移的场合5限位支架限制某一方向位移的场合6导向支架允许管道有轴向位移、不允许有横向位移的场合3恒力支吊架用于垂直位移大、希望保持管道在冷、热状态下支吊点的荷载不能变化很大的场合4防振支架用于限制、缓和往复式机、泵进出口管道和由地震、风压、水击、安全阀排出反力引起的管系振动7减振器需要弹簧减振的场合8阻尼器缓和往复式机泵、地震、水击、安全阀排出反力等引起的油压式振动1.3 可变弹簧支吊架可变式弹簧支吊架有四大系列，主要是由西北电力设计院设计的 T1、T2、T3、T4、T5型系列、华东电力设计院设计的TH1、TH2、TH3型系列、TD系列（JB/J8130.2-1999）和化工设计院设计的VS系列，其系列的基本特性相同，承载力为20daN-21000daN。结构形式主要有悬吊式、支承式和并联悬吊支承式。 1.4 恒力弹簧支吊架(一)、用途和适用范围： 整定式弹簧支吊架有两大系列，主要是由西北电力设计院设计的T1、T2、T3、T4、T5型和华东电力设计院设计的TH1、TH2、TH3型，两系列的基本特性相同，广泛用于电力、冶金、化工、石油、纺织等工业，在运行中产生热位移的管道系统及其设备装置。 本吊架适应荷载范围为200210000N，适用热位移量为40、45、80、90、120、135mm，使用温度范围-40120。 (二)、结构形式和型号表示方法： 本吊架根据安装形式分为中间连接吊架弹簧TH1上下连接吊架弹簧TH2、支架弹簧TH3三种型号。 TH1又分为A、B、C三种类型； TH1A(T1)为单耳连接吊架弹簧； TH1B(T2)为双耳连接吊架弹簧； TH1C为螺纹连接吊架弹簧； 这三种类型弹簧，主要用于悬挂在钢梁、管梁、底板上。 TH2(T3)适用于安装在钢梁上； TH3(T4)主要用于搁置在基础、钢梁、楼板上； T5 并联悬吊型。1.5 支吊架布置设计基本原理管道支吊架是管道系统的重要组成部分。它用以承受管道荷载,限制管道位移和控制管道振动。在火力发电厂工程设计中,其工作量占管道施工图设计工作量的30%-60%。在核电站工程设计的CAD系统标准图库中,各类支吊架图纸要占50%-60%。在有大量工艺管道,特别是热力管道的工厂设计中,管道支吊架设计常常成为工程设计的瓶颈,制约着设计进度。目前支吊架设计中主要存在以下不足:(1)管道支吊架设计存在大量的重复劳动,工程设计人员往往要经常查阅标准手册,耗费了大量的时间,不能集中精力于支吊架的布置和铺设。(2)一旦管道尺寸和类型发生改变,工程人员要重新查阅相关标准对管道支吊架要重新设计,不能做到支吊架自动更新。(3)现有的管道支吊架设计软件缺乏设计中干涉检查和处理功能。(4)设计、分析和优化一般在不同软件中进行,设计参数不能进行自动的连接和更新,使得优化的结果不能反映到支吊架几何模型。在工程实际中，支吊架的布置设计常按一定基本原则进行，核电厂管道支吊架布置设计的总体原则是：(1)尽量应用标准支吊架，有利于制造、安装，降低成本；(2)简化设计；(3)重量要轻；(4)锚固支架尽量少；(5)安装时减少焊接工作量；(6)所需空间要小；(7)便于施工和维修。在复杂的管道系统中，支吊架位置的确定与功能选择主要受到下列因素影响：管道自身重力、阀门和组件的重力、管道热膨胀、锚固点位移、内部或外部激励载荷、环境温度及支吊架制造和安装。支吊架布置设计的过程为：(1)根据管道的口径、壁厚和在线组件的重量初步确定支吊架的位置和所约束的自由度数；(2)计算在压力和热载荷作用下的管道系统变形，根据变形情况调整支吊架的位置和约束情况，即，通常是在热胀位移小的位置布置支吊架和施加约束，在热胀位移大的位置释放约束；(3)计算在地震载荷、重力载荷、温度载荷与压力载荷共同作用下的管道系统，在地震位移较大的位置布置支架和约束。重复计算，研究管道应力、支架反力及特殊点的位移。如果管道系统应力分析不能满足规范要求，则需要对支吊架的位置和功能进行局部调整。当多次调整后仍不能满足规范要求，则有必要修改管道走向，然后重复上述过程，直到满足规范要求。1.6 管道应力分析从力学角度分析，决定管道系统应力的主要因素有：管道内压即管道运行压力；管道（包括管道、管件、阀门等）及保温层自重；支吊架配置与荷重；管道的空间布置；管道的冷、热态温度。在工作状态下，管道要承受来自内压、自重和其他持续外载（包括支吊架反力等）和热胀、冷缩或其他位移受约束时产生的一次应力及因管道变形受约束而产生的二次应力。管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其它持续外载(包括支吊架反作用力等)作用下所产生的应力;二次应力是指管道在热胀、冷缩或其它位移受约束时产生的应力。1.6.1 一次应力分析一次应力是由于外力荷载而使管道产生的正应力和剪应力,其必须满足外部和内部力或力矩的平衡法则。一次应力的特点是没有自限性,始终随着外力荷载的增加而增大,不会随时间的延长而有所降低,当它超过某一限度,将使管道变形直至损坏。因此,要严格限制一次应力的数值,使其控制在相应的许用应力范围之内。管道在工作状态下,由内压、自重和持续外载产生的一次应力不得大于钢材在计算温度下的基本许用应力。1.6.2 二次应力分析二次应力是由于管道变形受约束而产生的正应力和剪应力,其本身不是直接与外力相平衡的,具有自限性的特点,即当局部屈服或产生小量塑性变形时,就能使工作状态下的热胀应力降下来。二次应力一般不会直接导致破坏,只有当应力在多次重复交变的情况下,才导致管道和附件产生疲劳破坏。因此,对于二次应力的限定,并不是指一个时间的应力水平,而是指交变的应力范围和交变的循环次数。管道由热胀冷缩和其它位移约束而产生的热胀二次应力。而管道变形受约束而产生的二次应力，其本身不是直接与外力相平衡的，当局部屈服或产生小量塑性变形时，就能使工作状态下的热胀应力降下来，只有在多次重复交变的情况下，才导致管道和附件产生疲劳破坏。支吊架配置、管道空间布置与管道运行温度，决定了二次应力水平。通过应力分析发现决定管道系统应力水平的关键因素是管道运行压力、运行温度、管道布置和支吊架状态。运行压力和温度通常按设计要求变化很小。在役机组管道布置及特性已定。因此，从宏观角度分析，支吊架（位置、类型与运行状态）决定管道系统的应力水平与安全性。1.7 管道支吊架的状态检验1.7.1支吊架状态检验目的机组经过长期运行和反复启停, 加上原始设计、制造、安装等方面可能存在的问题, 管道支吊架状态会发生变化。在日常检查中发现有吊架弹簧压死、脱空, 恒力吊架热位移量不足, 吊架锈蚀, 吊杆歪斜、松动等问题。这些问题的存在必然会改变支吊架载荷的合理分布, 恶化管道和机组的运行环境。同时, 不合理的应力分布会导致管道高应力蠕变损伤加快, 如不及时处理,必然缩短管道使用寿命, 给管道和机组的安全运行带来严重威胁。管道支吊架状态的正常与否，将直接影响管系应力水平的高低，影响管系的长期、安全、经济运行。所以，为了满足管系安全生产的需要，需要对状态异常的支吊架进行调整，使其达到或接近设计状态，而在对支吊架状态进行调整之前，应对管系的每一只支吊架的冷热态状况进行详细的检验与记录，检验支吊架配置、荷重及热位移的正确性,评估支吊系统的安全运行水平,消除支吊架存在的直接或间接隐患,对重大缺陷拍照记录，得到一套完整的管道及支吊架运行状态报告。通过支吊架调整改善管道的一次应力与二次应力水平,使管系应力处于均衡状态,以期改善管道及机组支吊架的运行状况,达到机组安全运行、延长管道寿命的目的。1.7.2 支吊架检查核对火力发电厂汽水管道经过一定时间运行后管道位置会发生一定的变化，加之支吊架安装中存在的各种问题，支吊架热位移及载荷将发生一定的变化，引起管道应力升高，使弯管、三通、集汽联箱接口及汽机端成为薄弱环节。 管道及支吊架通常有两类问题，一类是结构静力问题，是由管道热膨胀和支吊架失效引起的。管道系统是一个复杂的网络系统，有多种工况，如冷热态、启动、停机工况等。不同工况下支吊架承载和热位移都不相同，经常发生管道或附件热膨胀受阻而损坏相关部件，甚至引起停机的现象；另一类是汽水管道及附件振动问题，容易引发管道裂纹，损坏阀门，威胁机组的安全运行。 根据电力行业标准火力发电厂汽水管道与支吊架维修调整导则DUT616-1997的规定，满足运行管系安全生产的需要，需要对状态异常的支吊架进行调整，使其达到或接近设计状态，而在对支吊架状态进行调整之前，应对管系的每一只支吊架的冷热态状况进行详细的检验与记录。（1）审核管道支吊架运行资料 审核管道支吊架图纸，包括管道安装图、支吊架图、运行资料等。对原支吊架各个参数与设计计算书进行仔细核对；支吊架订货、到货、安装情况核对；管道的实际运行参数及支吊架的历次检验、更改记录；管道及支吊架的实际立体布置示意图的绘制。（2）管道支吊架现场总体状态检验记录损伤或劣化的证据。如构件外表面的变形和腐蚀;记录大幅度的冲击荷载uo剧烈振动的证据。具体表现已变形的元件、开裂的焊接接头、松弛的固定螺栓或破裂的水泥等。（3）管道支吊架检查变力弹簧支吊架是否过度压缩、偏斜或失载，弹簧是否断裂；恒力弹簧吊架转体指示是否超限；弹性支吊架承载是否异常；刚性支吊架状态是否异常；限位装置状态是否异常；减震器及阻尼器位移是否异常。（4）管道支吊架校验及记录校验吊点偏装与设计是否一致；记录运行条件下妨碍管道及支吊架位移的任何障碍；校验支吊架冷态、热态位置和标牌位置；记录冷热条件下的位移指针的位置；校验制造厂的型号；记录冷热态条件下变力弹簧的载荷；对于刚性支吊架，需校验支吊架各部分与原设计是否一致。1.8 支吊架设计中的问题和调整方法1.8.1管道支吊架设计中应注意的问题1.节省弹簧架弹簧架比普通支架贵，在长期工作状态下还有失效问题，不如刚性支架耐用可靠，过多的设置弹簧支吊架还会使管系各点位移方向失去控制，管系稳定性差，容易产生偏斜和振动，因此设计中应尽量减少弹簧架的设置。2.减小管道与支架间的相对位移管道与支架间的相对位移在管道支架设计中非常重要。如透平机的蒸汽管道，低点为管径较小的冷凝水排出管，若设支于地面的支架，弯头处设弹簧支座，这样会因蒸汽主管垂直管段很长又向下膨胀，而地面刚性较大，阻碍弹簧向下移动，这样易造成机器损坏，或导致其运行不正常。因此应将支于地面的支架改在从主管上生根，由于支架随主管一起升降，主管能够自由向下膨胀，这样管径较小的冷凝水管与支架间垂直向相对位移就会减至很小。3.放空管道的支架，设计时要求计算反力及倾覆力矩，核算放空管的强度放空管末端部型式不同，对支架的设置要求亦不同。绝大多数常压设备及管道，包括水平力为平衡的三通式，多用于压差较大或要求排气垂直向上，它们在设置支架时都要考虑风荷载的影响。末端带弯头，对排气要求确定方向，但放空时会产生水平力。如果支架设置不合适，出口与支架的距离过大，喷气反力又大时，放空管可能会发生倾斜，因此管道支架设计时要求计算反力及倾覆力矩，核算放空管的强度。4.防止管道振动刚性圆钢吊架连续安装多个时，管道的横向阻力很小，容易引起摆动和振动，从防止管道振动的角度出发，管架选型时应尽量不用圆钢吊架，或者不连续使用圆钢吊架。往复式压缩机对管道振动的防止更为突出，除考虑支架间距与固有频率的关系外，还要避免在楼面上、梁上设支架，以避免把管道的振动传递给建筑物，因此要求配管时把管道的支架生根在地面基础上。调节阀组除考虑支承重量外，还要考虑管道热膨胀以及承受振动的力。当阀门进出口压差大时，或液体管道减压过程产生气体时，均易产生剧烈振动。两相流的管道还应考虑水锤的可能性。如果热胀力允许，宜在调节阀的出口侧设固定架，进口侧设滑动架，必要时在调节阀出口侧的垂直管段上设导向架。综上所述，管道支吊架在管道设计中尤其重要，管道支吊架的设置主要是承受管系的自重和外载，避免产生过量挠度，控制管系的一次应力在允许使用范围之内。此外，基于使管系适应位移的需要，控制管系二次应力和综合应力不应超过允许界限，以使管系的端点推力在许用范围之内，从而达到保护设备之目的。1.8.2调整的一般方法管系应力分布不变法保持原管系应力设计不变,即各点所承受的设计荷载不变,对管系支吊架进行调整。该方法适用于无明显下沉、支吊架失效率低的管系。(1)对未并圈的变力弹簧支吊架，通过测量弹簧高度来推算其实际承受荷载。为使推算荷载误差小,应对旧弹簧刚度进行实测。(2)对已压并的变力弹簧支吊架、已拉至最下位和转体锈死的恒力支吊架,用带荷载传感器的装置测定其实际荷载。测定荷载时要保证被测吊点绝对标高不变。(3)将各吊点的实际承受荷载与设计荷载相比较，对不符合设计要求的吊点进行调整,使其符合设计值。由于管系各吊点之间的关联性,调整一个吊点的荷载必然导致邻近吊点荷载的变化,因此只有对支吊架进行反复调整,才能使各吊点承受的荷载与设计值相近。2.管系应力重新设计法 对管系应力进行重新设计,如在管系适当位置设置刚性吊点。对新管系的应力进行计算,确定管系原吊点位置所要承受的荷载和热位移。对不能满足新设计(荷载和热位移)的支吊架重新选型更换，对能满足重新设计的支吊架进行调整,使其满足设计要求,该方法能控制管系的位移,改变管系下沉状况,适用于有明显下沉、支吊架失效率高的管系。第二章 有限元相关理论及软件介绍2.1有限单元法在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。在河道数值模拟中，常见的有限元计算方法是由变分法和加权余量法发展而来的里兹法和伽辽金法、最小二乘法等。根据所采用的权函数和插值函数的不同，有限元方法也分为多种计算格式。从权函数的选择来说，有配置法、矩量法、最小二乘法和伽辽金法，从计算单元网格的形状来划分，有三角形网格、四边形网格和多边形 网格，从插值函数的精度来划分，又分为线性插值函数和高次插值函数等。不同的组合 同样构成不同的有限元计算格式。对于权函数，伽辽金(Galerkin)法是将权函数取为逼近函数中的基函数 ；最小二乘法是令权函数等于余量本身，而内积的极小值则为对代求系数的平方误差最小；在配置法中，先在计算域 内选取N个配置点 。令近似解在选定的N个配置点上严格满足微分方程，即在配置点上令方程余量为0。插值函数一般由不同次幂的多项式组成，但也有采用三角函数或指数函数组成的乘积表示，但最常用的多项式插值函数。有限元插值函数分为两大类，一类只要求插值多项式本身在插值点取已知值，称为拉格朗日(Lagrange)多项式插值；另一种不仅要求插值多项式本身，还要求它的导数值在插值点取已知值，称为哈密特(Hermite)多项式插值。单元坐标有笛卡尔直角坐标系和无因次自然坐标，有对称和不对称等。常采用的无因次坐标是一种局部坐标系，它的定义取决于单元的几何形状，一维看作长度比，二维看作面积比，三维看作体积比。在二维有限元中，三角形单元应用的最早，近来四边形等参元的应用也越来越广。对于二维三角形和四边形电源单元，常采用的插值函数为有Lagrange插值直角坐标系中的线性插值函数及二阶或更高阶插值函数、面积坐标系中的线性插值函数、二阶或更高阶插值函数等。其基本思路和解题步骤(1)建立积分方程，根据变分原理或方程余量与权函数正交化原理，建立与微分方程初边值问题等价的积分表达式，这是有限元法的出发点。(2)区域单元剖分，根据求解区域的形状及实际问题的物理特点，将区域剖分为若干相互连接、不重叠的单元。区域单元划分是采用有限元方法的前期准备工作，这部分工作量比较大，除了给计算单元和节点进行编号和确定相互之间的关系之外，还要表示节点的位置坐标，同时还需要列出自然边界和本质边界的节点序号和相应的边界值。(3)确定单元基函数，根据单元中节点数目及对近似解精度的要求，选择满足一定插值条 件的插值函数作为单元基函数。有限元方法中的基函数是在单元中选取的，由于各单元 具有规则的几何形状，在选取基函数时可遵循一定的法则。(4)单元分析：将各个单元中的求解函数用单元基函数的线性组合表达式进行逼近；再将 近似函数代入积分方程，并对单元区域进行积分，可获得含有待定系数(即单元中各节点 的参数值)的代数方程组，称为单元有限元方程。(5)总体合成：在得出单元有限元方程之后，将区域中所有单元有限元方程按一定法则进 行累加，形成总体有限元方程。(6)边界条件的处理：一般边界条件有三种形式，分为本质边界条件(狄里克雷边界条件 )、自然边界条件(黎曼边界条件)、混合边界条件(柯西边界条件)。对于自然边界条件， 一般在积分表达式中可自动得到满足。对于本质边界条件和混合边界条件，需按一定法 则对总体有限元方程进行修正满足。(7)解有限元方程：根据边界条件修正的总体有限元方程组，是含所有待定未知量的封闭 方程组，采用适当的数值计算方法求解，可求得各节点的函数值。2.2 ANSYS有限元分析软件2.2.1 ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出2.2.2 ANSYS功能及模块简介ANSYS 11.0 提供给用户新的统一分网环境，帮助用户实现基于物理的网格划分解决方案，例如机械、电磁、CFD 或者显式仿真。来自于ANSYS、ANSYS ICEM CFD 和ANSYS CFX 的一流网格几乎已经延伸到ANSYS WORKBENCH 中，综合多种算法的优势，提供一个智能的、灵活且鲁棒的网格划分能力。基于预定义的物理过滤器，各种控制自动定义了，比如网格尺寸、网格过渡、网格均匀性、划分速度、网格质量和曲率的细化控制等。如果必要，高级用户控制选项可用来使用。划网的智能特性提供了灵活的附加控制，帮助初级用户为了改进求解速度或者精度而得到适合于物理问题的良好网格。多重网格控制方法，以及高级选项，提供了备份网格划分方法以改善网格划分的整体鲁棒性。2.2.3 非线性分析在11.0 中，共同网格对象已经实现了，为多个应用之间的交互提供了附加的灵活性。这为求解器（FSI、隐式/显式等）之间的交互提供了增强的双向通讯。同时也提供了网格划分的统一方法。这个共同网格对象保证了在ANSYS WORKBENCH 框架中集成第三方的划网功能。ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT 11.0 中的创新在于多区域体网格划分工具，可用于空气动力学中。新的网格划分方法提供了对块（结构网格方法）的灵活性和控制，易于使用的自动（非结构化）网格方法。半自动多区网格算法允许用户在面和体上对网格进行总体控制，边界上通过映射或者扫描块提供了纯六面体网格，而内部过渡到四面体或者六面体为主的网格。映射、扫描和自由划分技术为模型中最重要区域的结构化六面体网格划分提供了自由，可以保证用较少的精力得到高质量的自动化网格。ANSYS ICEM CFD 和AI ENVIRONMENT 11.0 产品也回答了古老的问题：“我应该用四面体划网还是花更多的时间用六面体划网”。相对于传统的四面体网格算法，新的体-拟合笛卡儿划网方法可以帮你用更少的时间划分纯六面体网格。包含四面体和金字塔形状的混合网格划分方法减少了限制并且提供了更容易的方法编辑网格。这个方法产生的六面体网格的统一性更适合于显式碰撞分析或者任何六面体网格更适合的分析。 2.2.4 ANSYS产品主要分析功能在11.0 中，ANSYS 巩固了它的高级动力学分析能力并扩展到ANSYS WORKBENCH 中。线性和非线性结构动力学和应力分析，现在已经无缝的集成到了ANSYS WORKBENCH 仿真环境中。使得刚体和柔体的频率响应和时间历程动力学集成在一起。在一次设置中，用户现在能够选择一系列的力学行为：线性、高级非线性；完全刚体和完全柔体以及他们的组合。其他特征包括支持简单和复杂的连接和约束，基于几何的自动连接侦测，非线性材料和接触、运动学分析以及与CAD 系统的相关性。交互式的零件和装配体连接的定义和验证 纯刚体假设下的装配体动力学响应 纯刚体假设的潜在缺陷的识别 在CAD系统或者ANSYS DESIGNMODELER 中的参数化模型的快速WHAT-IF研究通过以下技术，ANSYS 用户现在可以用刚体/柔体多体动力学仿真方案进行产品开一致的ANSYS WORKBENCH仿真刚体到柔体的转换 ANSYS AUTODYN 软件是与众不同的通用的显式分析工具，适合于固体、流体和气体及其交互的非线性动力学模拟。在11.0中，ANSYS AUTODYN 第一次作为ANSYS WORKBENCH 环境下的集成工具。ANSYS AUTODYN与ANSYS MESHING及ANSYS的紧密结合，提供了一个只有通过显式动力学结果才可以做出快速决策的环境。扩展的ANSYS 动力学使得以下分析更为理想： 关联来自于CAD 工具或者ANSYS DESIGNMODELER 的实体几何，计算结构动力学的有限元求解器 快速CFD 的有限体积求解器 高速、大变形和破碎的无网格粒子求解器 解决包括FE、CFD 和SPH 耦合的多物理场耦合 结合本构响应和耦合热动力学的材料模型 在共享和分布式内存系统上的串行和并行计算第三章热电厂的再热蒸汽管道支吊架的研究3.1再热蒸汽管道支吊架概况热电厂再热蒸汽管道材质为A335P22；管道规格(外径壁厚) :主管（699mm 33.5 mm）,介质压力为4.01MPa;管道设计温度为545。通过对1 号机组低温再热蒸汽管道支吊架冷、热态检查发现,支吊架存在很多影响管道寿命和安全运行的隐患,这些缺陷会造成管道受力不合理,局部区域应力升高等问题,使管道运行条件达不到原设计要求,甚至会影响到机组的安全运行。3.2再热蒸汽管道及其支吊架布置示意图热电厂再热蒸汽管道共配置13组支吊架,其中12组恒力弹簧支吊架,1组刚性吊架,管道及支吊架示意见图1所示 。通过在冷、热态进行的检验,发现部分吊架存在不同程度的问题,在运行中发现，部分支吊架严重偏斜。图3-1 再热蒸汽管道及其支吊架布置示意图 3.3 支吊架的参数、表3-1再热蒸汽管道的管道支吊架参数管道尺寸688mm 32.5 mm管道材料A335P22管道设计压力4.01MPa管道设计温度545设计温度下的线膨胀系数12.53.3 应力计算3.3.1 再热蒸汽管道自重的计算再热蒸汽管道的规格 (外径壁厚):699mm33.5mmP=g（L-L） P管道总重管道材料的密度R管道外径r管道内径L管道长度取=3.14；=7.9；9.8/N；管道总长 L=108.6mR=0.699/2=0.3495m；r=（699-33.52）/2m=0.316mP=gL（-）=7.99.83.14108.6（-）N =588580N3.3.2 弹簧的重力承载表3-2 弹簧型式所对应的荷载参数:型式工作荷载(N)结构荷载(N)1号恒力弹簧吊架(双)66102991522号恒力弹簧吊架(双)1001971502953号刚性吊架(双)1085191578414号恒力弹簧吊架(双)38025570385号恒力弹簧吊架(双)879051318586号恒力弹簧吊架(单)35658534877号恒力弹簧吊架(单)56027840408号恒力弹簧吊架(单)53213798209号恒力弹簧吊架(双)486067290910号恒力弹簧吊架(双)458116871711号恒力弹簧吊架(双)531147967112号恒力弹簧吊架(双)374255613713号恒力弹簧吊架(双)6093491401=-弹簧的最大承受力吊架工作荷载吊架结构荷载=(99152-66102)2=66100N=(150295-100197)2=100196N=(157841-108519)2=98644N=(57038-38025)2=38026N=(131858-87905)2=87906N=53487-35658=17829N=84040-56027=28013N=79820-53213=26607N=(72909-48606)2=48606N=(68717-45811)2=45812N=(79671-53114)2=53114N=(56137-37425)2=37424N=(91401-60934)2=60934N其中为刚性吊架，在冷态下不承受重力。所以=+=610567N弹簧的利用率A=100%=96.4%恒力弹簧吊架在冷态下处于满荷状态，不是引起管道支吊架偏斜的主要因素。3.3.3 热态应力分析以再热蒸汽管道中的每个拐点作为分界点，把整个蒸汽管道分成10段。其长度如下表：表3-3 蒸汽管道中各段长度L长度mm76003020058001120047001430089001190069008100在热态下，杆件自由膨胀，根据L=T*=（t-） L管道热膨胀量（mm）管道材料膨胀系数（）安装时管道长度（mm）t运行时管道温度（）安装时管道温度取管道材料热膨胀系数=12.5；t=545；=20所以=12.5（545-20）7600=49.875mm=12.5（545-20）30200=198.1875mm=12.5（545-20）5800=38.0625mm=12.5（545-20）11200=73.5mm=12.5（545-20）4700=30.84375mm=12.5（545-20）14300=93.84375mm=12.5（545-20）8900=58.40625mm=12.5（545-20）11900=67.09375mm=12.5（545-20）6900=34.28125mm=12.5（545-20）8100=43.15625mm在X向自由膨胀的有：在Y向自由膨胀的有：、在Z向自由膨胀的有：、=38.0mm=+=313.0mm=+=375.0mm从数值上看，管道支吊架在Z方向上膨胀量最大，X方向膨胀量最小。3.3.4 热态下有限元分析应用ANSYS有限元分析软件，对热态下的管道支吊架进行模拟计算。管道支吊架的有限元模型如图3-2，分别在有弹簧约束和没有弹簧约束下计算，结果各弹簧的位移量如表3-4.图3-2 管道支吊架有限元模型图3-3 有限元模型下的弹簧加载表3-4 有限元模型下各弹簧的位移量编号无弹簧约束下的计算弹簧约束下的计算XYZXYZ10-36.9096101.1350-36.8961101.2042-31.3489-48.938160.8286-36.665-46.324754.75323-67.102395.49820-76.1535123.21604-87.3847267.869-80.8075-96.1332225.458-41.53785-72.706268.579-115.848-76.2615229.942-123.5576-41.8845345.258-213.418-36.08335.202-127.0997-13.4316320.21-157.498-6.60685329.577-154810.8104220.731-86.975812.0168250.119-27.1147916.457225.226-70.595822.5101216.431-21.26581016.2717123.42-90.379522.5823151.801-30.18351112.6104110.739-30.883512.8384119.131-88.8074125.6014271.4875-2.899892.5610669.38123.63625131.4146541.524-10.4093.2053440.5096-15.3724从表3-4中数据对比可知，管道有无弹簧约束对管道上弹簧节点处位移量影响不大，弹簧支吊架并不能改变管道热位移。图3-4 X方向管道支吊架的变形图从图3-4看出，管道在