基于有限元方法的高温高压空气导管应用分析

南京航空航天大学硕士学位论文基于有限元方法的高温高压空气导管应用分析姓名于磊申请学位级别硕士专业人机与环境工程指导教师朱春玲201105南京航空航天大学硕士学位论文位置和球形接头参数对管系动力学特性的影响。关键词；有限元，空气导管，非线性，静力学分析，模态分析瑀，瑃琧瓵，图、表清单图配平系统截面属性图拉杆示意图图球形接头实体剖面示意图图球形接头转动特性曲线图材料应力虑变曲线图诘阌媪慕嵌萉变化的曲线图南京航空航天大学硕十学位论文工况下的导管应力云图图工况下的导管应变云图图工况下的导管应力云图工况下的导管应变云图图工况下的导管应力云图工况下的导管应变云图图基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析图工况下的导管应力云图图工况下的导管应变云图图丁况下的导管应变云图图工况下的导管虑变云图图角度。时应力分布云图图嵌萉为。时应力分布云图南京航空航天大学硕士学位论文拉丁字母尸管壁上任一计算点的半径，所最大弯矩，聊管道单位长度荷载设计值，坍热应力，忍基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析竹互互管道的末端刈曛醁方向的附加线位移，加管道的末端刈曛醃方向的附加线位移，埘管道沿坐标轴较虻娜壬斐担瑉单项应力，砌代数值最大主应力，主应力。尸口福。极限应力，尸口形状改变比能，尸口南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论课题背景及研究意义国内外空气导管技术研究现状的断面结构，研究发现导管的断面上有穿晶应力腐蚀裂纹，在断面的内表面有分层和氧化颗粒沉积的现象。理论和试验研究方面均进行了较为深入的研究。场和热应力进行了数值模拟，研究结果表明，管道与外接管座相接处的最大热应力易超过材料南京航空航天大学硕士学位论文论文研究的主要内容位置和球形接头参数对管系动力学特性的影响。基于有限元方法的高温高压空气导管虑力分析导管应力校核主要是为了防止管壁或关键部件的应力过大造成材料的塑性变形乃至破裂。不同类型的载荷引起不同类型的应力，不同类型的应力对损伤破坏的影响各不相同，不能简单的将这些载荷产生的应力相叠加。因此，在进行导管系统静力分析前，有必要详细分析导管运行过程中受到的载荷及其作用机制。同时，不同的应力校核标准会产生不同的安全评定结果，合理的选择适合空气导管的强度校核准则是应力分析的关键。压力管道的应力分类根据产生应力的载荷不同，可以将应力划分为一次应力和二次应力。一次应力是由于压力、重力或其他外力载荷的作用产生的应力。它是平衡外力载荷所需的应力，随着外力载荷的增加而增加。一次应力的特点是没有自限性，即当管道内的塑性扩展到极限状态，使之变成几何可变的结构时，即使外力载荷不再增加，管道仍将产生不可限制的塑性变形，直至破坏。二次应力是由于热胀、冷缩、端点位移等位移载荷作用所产生的应力，它不直接与外力平衡，而是满足位移约束条件或者管道自身变形的连续要求所必须的应力。二次应力的特点是具有自限性，即局部屈服或小变形就可以使得位移约束条件或者自身变形的连续要求得到满足，从而使变形不再继续增大。一般来讲，只要不反复加载产生疲劳效应，二次应力不会导致导管的破坏，也就是说二次应力引起的主要是疲劳破坏。应该指出的是，当位移载荷过大，局部屈服或者小变形不足以使得位移约束条件或者自身变形的连续要求得到满足时，管道也可能在一次加载过程中就发生破坏。在空气导管系统中，由于导管温度较高，产生的热变形量较大，且考虑到承重、限位、防振等因素，需对空气导管施加移约束，故热膨胀产生的二次应力占据空气导管应力集中的主要部分。载荷分类及其计算南京航空航天大学硕士学位论文若以长度为三的一段直管为研究对象，并采用梁单元模型求解，只要温度变化不是特别大，热应变为，岛啦，基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析上述式中A焦潭涞墓艿莱龋豢谖O吲蛘拖凳籘为介质温度与环境温度之热应力问题晃侍比较简单，只靠直观概念加以分析即可解决。对于复杂的问题往热弹性理论与一般弹性理论相似，也是从静力学、几何学和物理学三方面出发，来建立基本方程。从静力学出发建立的平衡方程硕匠与无温度改变的一般弹性理论的方程完全相同，如下式所示性理论中的方程一样，如下所示占，占瓦加。础癑变，则服从热膨胀规律，见式，即。注意到式中的侵肝虏睢鳎疋一互。南京航空航天大学硕士学位论文假设物体是各向同性并且是均匀的，温度变化不大，口是常数，因此对于一个无限小的长万体，在温度变化时，仍保持为一长方体，它在各个方向上的伸缩应变都相同，即所以热弹性理论的物理方程为铲掣热弹性理论的应力法专【蝡，一吒辏吒岱，于是由式可得热弹性理论中物理方程的另一种形式苑匠绦问吒巳一拈可砑删将式褪胧，得上述式中口一一管道材料在初始温度与计算温度间的平均线膨胀系数；瓦一一管道初始温度。强度理论式中仃为单项应力，为许用应力。材料就发生断裂。由于最大拉应力的极限值与应力状态无关，因此可用单向应力状态确定这一吼纠十月石料或混凝十等脆性材料受轴向压缩时，如在试验机与试块的接触面上添加润滑剂，以减小摩擦力的影响，试块将沿垂直于压力的方向裂开。裂开的方向也就是蜀的方向。铸铁在拉一压二向应力，且压应力较大的情况下，试验结果也与这一理论接近。按照这一理论，铸铁在二向拉伸时应比单向拉伸安全，但试验结果并不能证实这一点。在这种情况下，第一强度理论比较接近试验结果。这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素。即认为不论什么应力状态，只要最大切南京航空航天大学硕士学位论文二旦么应力状态，只要形状改变比能“达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生屈服。单向本章小结南京航空航天大学硕士学位论文第三章空气导管配平系统的静力分析的可靠性将直接决定飞机环境控制系统功能的实现及其稳定性。本章以空气导管系统中的子系配平系统图配平系统导管图配平系统导管空气导管材料为不锈钢，型号为，密度，泊松比图配平系统截面属性约束其三个平动自由度。目前在已有的空气导管补偿部件中具有轴向补偿能力的补偿器仅有滑动接头值有一定的要求其轴向伸缩为咖，转动角度最大值为龋嘞蚱咖。基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析图球形接头实体剖面示意图图球形接头转动特性曲线表球形接头各方向上平动与转动特性材料的本构关系是结构分析的基础，尤其是高温条件下的热应力分析，计算结果的精确性南京航空航天大学硕士学位论文图材料应力应变曲线形单元，利用提供的网格划分工具生成有限元模型，计算精度较高，速度快。配平系统基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析配平系统由表、可知，随着工况的改变，配平系统的应力与应变的最大值会发生一定的变化，由此可见，配平系统在上述工况下强度与刚度均满足要求。配平系统计算结果的影响因素分析在不改变配平系统空气导管走向以及鞍座夹、拉杆、阀门等附件的安装位置的条件下，本文考察了空气导管所受到的加速度载荷、补偿器参数、导管的结构尺寸对配平系统应力特性的计算与分析。其中，较蚣铀俣妊段阂、一、；配平系统淖畲笥溆離方向加速度之间的关系如图所示南京航空航天大学硕士学位论文图配平系统畲笥渌鎄方向加速度变化关系不一致，图配平系统畲笥渌鎅方向加速度变化关系淖畲笥渌孀臲正配平系统基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析酵釉讼畲笥渌鎆方向加速度变化关系由图芍盳向加速度由一变化到时，配平系统趋势一致，随着蚣铀俣戎档脑龃笙燃跣笤龃螅谡齔方向加速度为时出现应变最小值，响，各方向上的加速度对配平系统构及补偿器、阀门、拉杆等附件的质量相关。配平系统仅在写嬖个球形接头，因此选取配平系统南京航空航天大学硕士学位论文所示。接头最大转动角度变化的曲线接头起动力矩变化的曲线配平系统募扑愎鑫猅一淦较低砅的计算工况为。空气导管煌蚰诘挠星蜓畲笾底魑L卣鹘诘悖直鹑缤、基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析由图屯可知，配平系统变化范围较为明显。南京航空航天大学硕士学位论文本章小结加速度对配平系统门、拉杆等附件的质量相关。补偿作用越好，但随着球形接头的起动力矩增加，球形接头的补偿作用逐渐减小。空气导管壁厚的增加而减小。配平系统球形接头补偿的弯管应力值随管径增加而降低，同时没有球形接头补偿的弯管应力值随着管径增加而增加。基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析概述吊支架的三维应力分析与校核径诤咖。南京航空航天大学硕士学位论文图焊点示意图图空气导管、拉耳网格图图拉耳载荷情况一图拉耳载荷情况二基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析。有限元应力分析的目标在于确保模型中应力集中的最大值小于设计要求，因此在分析时选、所示。重蓥图诘阌媪慕嵌萉变化曲线南京航空航天大学硕士学位论文各特征节点应力分别如图所示。名诘阌媪慕嵌菳变化曲线籇诘阌媪慕嵌菳变化曲线挠孀沤嵌菳的增加而增大；当力的角度笥时，节点的应力随着角度脑黾佣跣。坏绷慕嵌菳等于保瞿驮诮诘鉇出现虑力最大基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析法兰的三维应力分析与校核在复杂而庞大的管系中，法兰的连接数以百计，是常用的机械连接方式。由于工艺条件的限制法兰作为可拆连接件用以连接不可一次成型的部件。它不仅承受介质的内压，在许多情况下还承受设备重量、外力、外力矩等外载荷。法兰使用时应考虑以下因素结构件本身的强度泄漏问题。本章将基于有限元的方法、建立三维实体模型，对法兰强度特性展开深入研究。卡箍，其剖面图如图尽保疾旆嫉姆胖梦恢枚缘脊苡匦缘挠跋霩，本截卧南京航空航天大学硕士学位论文采用窍咝跃擦蠼馄鞫阅徒蟹治觯扑憬峁缤所示窳蔷。，。口时模型的位移分布基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析球性接头应力分析与校核南京航空航天大学硕士学位论文力特性的影响，本章对球形接头进行不同工况的数值模拟，其中球形接头的中心对称面距截面头只改变其截面尺寸，波纹管波数与长度不变。球形接头的材料和导管材料相同，对导管两端添加固定约束，并对管内添加的压力，基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析中弯管处平均应力以及弯管处的特征节点、挠浠榭龇直鹑缤图煌芫断陆诘鉉应力变化曲线量翻舡图煌芫断陆诘鉙应力变化曲线图煌芫断陆诘鉔应力变化曲线盒图煌芫断陆诘鉝应力变化曲线图煌芫断陆诘鉋应力变化曲线由图芍蛐谓油肪嘟孛鍭的距离大于时球形接头开始对弯管具有补偿作用，径的空气导管该变化规律相同，球形接头的补偿效果随着管径的减小而增加，其前提条件是球南京航空航天大学硕士学位论文应力的变化规律一致，且由图芍诘鉋并不符合上述规律。在三种壁厚条件下，图灸椭型涔艽骄约巴涔艽奶卣鹘诘鉔、图煌诤裣陆诘鉉应力变化曲线图煌诤裣陆诘鉔应力变化曲线图煌诤裣陆诘鉙应力变化曲线名图煌诤裣陆诘鉾应力变化曲线图煌诤裣陆诘鉋应力变化曲线基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析本章小结随受力角度变化的关系曲线，为空气导管吊支架的结构设计与材料的选用提供依据；并得到了球形接头的有效使用范围，为空气导管补偿器位置的设计及优化提供依据。南京航空航天大学硕士学位论文第五章空气导管配平系统的动力学分析偿器参数和约束条件对空气导管模态特性的影响。空气导管模态分析数值计算的一般方法任何结构系统的动力学方程均可以表示为内力、外力、和惯性力的平衡方程组其中，】为空气导管质量矩阵；【课W枘峋卣螅籌为刚度矩阵琌为结构的激振若无外力作用，即琌游，且略去影响不大的阻尼，得到无阻尼自由振动的运动方程綤卜缈綧】基丁有限元方法的高温高压空气导管应力分析刑崛卣髦档姆椒饕S腥啵焊俜浠环方法。椒扑闩淦较低车墓逃衅德始巴姓裥廷。配平系统有限元模态计算与分析由于隔舱壁对导管的同定将配平系统分为两个独立的子系统，子系统间不相互传递力和位配平系统叼翻薄图第一阶振型图图第二阶振型图南京航空航天大学硕士学位论文鍪舅参曼图第三阶振型图图第四阶振型图图第六阶振型图薏鬒图第八阶振型图口二四誊害基丁有限元方法的高温高压空气导管应力分析统逃衅德视氩牧厦芏戎涞谋浠叵低迹掌脊苤本段。位置的前提下，空气导管的半径是影响刚度矩阵的重要因素。配平系统南京航空航天大学硕士学位论文球形接头刚度变化的关系图。阶数系统静力特性和动力特性的影响。南京航空航天大学硕士学位论文总结加速度对配平系统基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析南京航空航天大学硕士学位论文瓵甈甊甅瓵琈珻珼甈【甃。瓵甈甊瓾瓹甅【浚瓻珹甂甌珼瓵踔孪椋褐绢龋锕钠舳艿烙治鲇爰扑鉡北京水利电力出版社，严宗达，王洪礼热应力本焊叩冉逃霭嫔纾甅，珿【浚甌基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析陈敏，张周红复杂管道应力分析中的支吊架布置方法沽萜邢拊7治隼砺刍胗肹北京科学出版社，簂杜平安有限元网格划分的基本原则瞪杓朴胫圃欤李国斌，张书俊，刘玉春支吊架零部件重量及吊零方式对弹簧选型和管道应力分析的影响南京航空航天大学硕士学位论文琍琙【浚甀浚瓻，琫甌琈与设备，王心丰基于慕鹗羧砉芊窍咝杂邢拊S治鯷南京南京航空航天大学，瓺綜】基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析杨剑，张璞，陈火红新编肋邢拊J道坛蘙北京机械工业出版社，陈培烈应用际踅锌盏鞴苈返恼穸治鯷计算机辅助设计与制造，南京航空航天大学硕士学位论文感谢我的导师朱春玲教授对课题的具体指导以及本文所需的研究条件的大力支持。导师崇高的师德，严谨的治学态度，渊博的学术知识，活跃的学术思想，平易而朴实的人格魅力以及忘我的工作精神对我产生了深刻的影响。在她的指导下，我掌握了从事科学研究的基本方法，激发了浓厚的学术兴趣，领悟了许多为人处世和待人接物的道理。在此，向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。学生在学习和科研工作上取得的每一分进步和收获无不浸透着两位老师的心血。在此，向基于有限元方法的高温高压空气导管应力分析攻读硕士学位期间发表加论文情况，南京航空航天大学硕士学位论文工况下的导管