传热学与热应力基础

1、热传导与热应力三级项目报告 裂解气压缩机蒸汽透平管道的热传导 与热应力分析,目录,1裂解气压缩机蒸汽透平管道的热传导与热应力分析问题描述 2 材料参数： 3管道应力分析的基本假设： 4计算304不锈钢管道外壁温度： 5 计算304钢管温度场： 6 计算应力场： 7 Ansys应力应变分析结果： 8 结果分析： 9 参考文献： 10 感想总结：,管道热应力分析应保证管道在设计条件下具有足够的柔性,防止管道因热胀、冷缩、管道支承或端点的附加位移造成下列问题:管道热应力过大或金属疲劳引起管道或支架破坏;管道连接处泄露;管道推力和力矩过大,与其相连接的设备产生过大的应力或变形,影响设备正常运行。 显然

2、,管道热应力分析在配管布置阶段对其具有指导意义。,1、问题描述,1、问题描述,裂解气蒸汽管道为内壁半径100mm，外壁半径140mm的304不锈钢管道，管道内流动有高温高压的裂解气体，管道内壁温度401且认为不变，所受压强为7.1MPa;管道外包裹一层超细玻璃纤维保温棉，厚度为40mm,保温棉外壁温度为30。整个状态处于稳态。 两端加约束，平面应变，又因为在极坐标下轴对称问题可以简化为无热源、一维稳态温度场问题。,2、材料参数,304不锈钢 弹性模量 E =193GPa； 泊松比 = 0.29； 材料密度 =8030kg/m3。 导热系数 k=16W/(m)； 管道外半径为 R1=100mm；

3、 管道内半径 R2=140mm； 管道壁厚 =40mm； 管道水平长度 L1=100,2、材料参数,玻璃棉保温管 弹性模量 E=2109Pa 材料密度 =20kg/m3 泊松比 = 0.3 热膨胀系数=1.010-5 导热系数 k=0.043W/(m *K) 比热容 c=1386 J/kgK 厚 度 =40mm,3、管道应力分析的基本假设,在管道应力进行研究时，这就需要涉及到管道自身的因素，很多专家常常用的分析方法是只研究管道受到的主要应力的影响，忽略到不必要因素对管道的影响，从整体上提出很多的假设，将原有复杂的模型简易化，在这种简易化模型的情况下进行应力分析。这些基本假设是: (1) 管道物

4、质结构是连续的。 (2) 管道各个部分的密度是相同不变的。 (3) 管道所受各种载荷下是在屈服强度以内，所发生的形变也是弹性的。 (4) 管道在没加载前是不受任何应力的作用。,4、计算304不锈钢管道外壁温度,利用圆筒的稳定热传导理论求出管道外壁的温度值。根据已知公式： 得 所以 q为热流密度, t1为管道内壁温度,t3为保温层外壁温度， i为材料的导热率，ri+1为外壁半径，ri为内壁半径。 由热流密度相等代入参数计算后得出管道的外壁温度t 2399.7。,4、计算304不锈钢管道外壁温度,solidworks热力分析图：,总体温度场变化彩图,总体温度场变化图表,温度场变化彩图,温度场变化图

5、表,5、计算温度场,所以拉普拉斯导热微分方程方程在极坐标下表示成：,即导热方程为：,5、计算温度场,对上式进行俩次积分得：,边界条件为第一类边界条件：,r= r1时，t=401 r= r2时，t=399.7,将边界条件带入（a）式得温度场：,5、计算温度场,304钢管温度场分布彩图,5、计算温度场,304钢管温度场变化图表,6、计算应力场,在所求得的温度场中，该圆筒问题成为轴对称问题，根据轴对称问题的特点，建立该问题的应力数学模型如下（忽略玻璃棉对不锈钢管的压力）：,平衡方程：,几何方程：,物理方程：,6、计算应力场,边界条件：,将物理方程代入平衡方程后再代入平衡方程并整理可得：,将几何方程代

6、入上式得：,6、计算应力场（前提：忽略保温棉对钢管的作用力）,即：,整理可得：,将上式代入几何方程再代入用应变表示的应力得：,上述公式适用平面应力，只需将 代入上述公式，适用于平面应变问题的分析。对于积分，有,带入边界条件得：,将 、 带入 、 公式得,r=0.1,r=0.14,并可得位移为,由,和,不满足边界条件,假设存在外作用力,作用在边界上，可使满足边界条件。,则,特解。,求通解,根据弹性力学,代入数据,得通解,则最后的解为,7 Ansys应力应变分析结果,径向应力分布彩图,径向应力分布图表,7 Ansys应力应变分析结果,周向应力分布彩图,周向应力分布图表,7 Ansys应力应变分析结

7、果,径向周向应力分布图表,总成的应力图,7 Ansys应力应变分析结果,径向应变彩图,径向应变图表,7 Ansys应力应变分析结果,周向应变彩图,周向应变图表,8 结果分析,由图像可知，最大应力在钢管的内表面，所以校核危险界面应选在钢管内表面,结果视频,径向应力 周向应力 总成（第四强度理论）的应力,9 参考文献 工程热应力 顾泽同等编 国防工业出版社 热传导及热应力基础,10 感想总结 1、在整个过程中出现的问题及解决方案 在整个课程项目的设计过程中，我们遇到了许多困难和问题，但是凭着良好的心态和不放弃的精神，我们最终顺利完成了项目的计算与分析过程。 1、课本基础不扎 由于大一时没有打下扎实的数学计算基础和对弹性力学理解不深刻，在这次的项目计算以及问题分析时，我们总是不清晰。最后我们通过查课本，进行再次学习，找准了方向， 完成了最终求解。 2团队管理 虽然大家在一个团队，为了同一个目标在奋斗，但是每个人依旧是个独立的个体，不可能在每一个方面大家都是想的一样的，当某个队员自己有一些想法时，我们要个他一个宽松的环境让他坦诚的说出心里的话，作为听众的我们，要耐心的听取他的意见，认真思考，然后用合适的方式进行讨论，不能别人一说什么就否定人家，这样一来，以后队里就不会再有人说话了，好的