碩士答辯 答辯ppt12

南京工業(yè)大學(xué)碩士論文答辯水平管式蒸發(fā)器管板的輕量化設(shè)計(jì)及校核機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院動(dòng)力工程答辯人：于亞菲導(dǎo)師：陳曄教授

許志興高級(jí)工程師

01.緒論AB02.薄管板厚度取值范圍的估算03.蒸發(fā)管與管板焊接溫度場的有限元計(jì)算CD04.焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力場分析05.水平管蒸發(fā)器的整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證及工況校核EF06.結(jié)論與展望目錄課題來源與背景01設(shè)計(jì)研究概況02本課題主要研究內(nèi)容031.緒論1.1課題來源與背景隨著科技、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，生活和工業(yè)污水的過度排放及水資源的短缺已經(jīng)成為我國現(xiàn)階段亟需解決的重大環(huán)境問題之一。水平管降膜蒸發(fā)技術(shù)是一種高效、節(jié)能，適用面更廣的膜蒸發(fā)技術(shù)，因其特點(diǎn)在海水淡化，工業(yè)廢水處理和垃圾滲濾液處理領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景。由于缺乏相關(guān)的規(guī)范和參考數(shù)據(jù)，確保管板的加工精度并將其與蒸發(fā)管、筒體焊接后所可能引起的焊接變形量控制在不影響蒸發(fā)管平行度的條件下，跟一般蒸發(fā)器或換熱器的管板厚度相比此臺(tái)水平管式蒸發(fā)器的管板較厚。在蒸發(fā)器的低壓工況條件下，結(jié)合規(guī)范計(jì)算方法，探討不同厚度管板在焊接過程中所形成的焊接殘余應(yīng)力及變形的影響區(qū)域。1.2薄管板設(shè)計(jì)研究概況與焊接數(shù)值模擬研究概況管板是管殼式換熱器的主要零件之一，在蒸發(fā)器中也起到了至關(guān)重要的作用。合理的管板設(shè)計(jì)能夠節(jié)約材料、降低成本，并且能夠確保安全使用。由于在實(shí)際中，管板的受力情況比較復(fù)雜，在研究中會(huì)將實(shí)際情況假設(shè)理想化，從而能夠進(jìn)行強(qiáng)度的分析、理論的推導(dǎo)和結(jié)論的論證。20世紀(jì)30年代開始，研究者們開展了對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究和分析工作。上世紀(jì)中旬，國外的專家已經(jīng)開展了關(guān)于焊接數(shù)值模擬的多方面研究。20世紀(jì)70年代，有學(xué)者將有限元法應(yīng)用到焊接模擬當(dāng)中，做到了分析復(fù)雜的焊接動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過程。在最近的20年，隨著計(jì)算機(jī)水平的提高和大家關(guān)于有限元認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步完善，在焊接領(lǐng)域數(shù)值模擬得到了迅速發(fā)展與應(yīng)用。1.3本課題主要研究內(nèi)容本課題針對(duì)一臺(tái)蒸發(fā)量為1.5T/hr的水平管式蒸發(fā)器，采用規(guī)范計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的方法，對(duì)其管板厚度進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。討論薄管板在焊接后的殘余應(yīng)力與變形，并以此評(píng)判管板輕量化對(duì)管板焊接變形的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)減薄管板后的水平管式蒸發(fā)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和管束變形評(píng)定。結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計(jì)條件01管板厚度的估算022.管板厚度取值范圍的估算2.1水平管蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸及設(shè)計(jì)計(jì)算條件管板結(jié)構(gòu)尺寸以及與管板有關(guān)的蒸發(fā)器筒體尺寸為：管板直徑，筒體內(nèi)徑，筒體壁厚；蒸發(fā)管為，552根，矩形排列；蒸發(fā)管水平中心距，垂直中心距。設(shè)計(jì)計(jì)算條件項(xiàng)目管程殼程設(shè)計(jì)壓力/MPa0.120.12設(shè)計(jì)溫度/℃118118介質(zhì)飽和水蒸氣、冷凝水飽和水蒸氣材質(zhì)TA2TA201TEMA規(guī)范設(shè)計(jì)方法厚度公式圓整后02GB151-2014熱交換器標(biāo)準(zhǔn)厚度公式圓整后03AD規(guī)范厚度公式圓整后2.2水平管蒸發(fā)器管板厚度估算01焊接的有限元基礎(chǔ)焊接幾何模型建立0203焊接結(jié)構(gòu)物理模型04焊接溫度場3.蒸發(fā)管與管板焊接溫度場的有限元計(jì)算焊接溫度場方向是典型瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)問題，并且是一個(gè)的非線性的過程。焊接熱彈塑性分析應(yīng)用假設(shè)：（1）材料的屈服準(zhǔn)則是米塞斯(VonMises)屈服準(zhǔn)則；（2）塑性區(qū)內(nèi)部的行為，既服從于塑性流變法則，也服從于強(qiáng)化準(zhǔn)則；（3）彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變以及溫度應(yīng)變之間可以區(qū)分；（4）材料有彈性模量、屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等機(jī)械性能，這些性能隨著溫度的變化而發(fā)生變化；（5）在微小的時(shí)間間隔內(nèi)，與溫度相關(guān)的性能，會(huì)呈現(xiàn)短增量時(shí)間內(nèi)的線性變化。3.1焊接的有限元分析基礎(chǔ)管板按照蒸發(fā)管與其上下左右四根蒸發(fā)管的管間距進(jìn)行截取。由于水平管式蒸發(fā)器的蒸發(fā)管為矩形排布，顯然圖中保留管板部分為矩形，其尺寸為50mm×33mm，其邊緣正好處于該蒸發(fā)管與其周圍其他四根蒸發(fā)管之間管橋的正中央。焊接有限元模型的建立蒸發(fā)管與管板之間的焊接選擇為鎢極氬弧焊（TIG），焊縫為單V形坡口，焊接工藝參數(shù)選擇如表

焊接類型電壓/V電流/A焊接速度/(cm/min)焊接熱效率鎢極氬弧焊10180160.753.2焊接有限元模型的建立分網(wǎng)過程中，對(duì)于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域采用了較疏的映射網(wǎng)格以減少單元數(shù)目，而在焊縫所處區(qū)域，尤其在焊縫附近采用了較密的自由分網(wǎng)，以提高計(jì)算精度。分網(wǎng)后的管板與蒸發(fā)管焊接結(jié)構(gòu)如圖所示。共有單元10218個(gè)，節(jié)點(diǎn)12624個(gè)。3.3焊接結(jié)構(gòu)的物理模型分析類型熱遷移方式焊接熱源模型生死單元直接耦合間接耦合高斯熱源模型半球狀與橢球型熱源模型雙橢球型熱源模型3.4焊接溫度場的有限元計(jì)算求解參數(shù)設(shè)置將焊接過程的初始溫度設(shè)置成20℃。對(duì)于模擬結(jié)果的收斂，合適的時(shí)間步長顯得尤為重要。焊接各階段對(duì)應(yīng)時(shí)間參數(shù)設(shè)置：

升溫，時(shí)長17s，步長0.2s

降溫設(shè)置為幾個(gè)階段：第一階段，0~20s，步長0.25s

第二階段，20~100s，步長0.5s

第三階段，100~500s，步長1s

第四階段，500~3000s，步長10s焊接溫度場有限元計(jì)算結(jié)果5秒時(shí)的溫度場8秒時(shí)的溫度場13秒時(shí)的溫度場17秒時(shí)的溫度場3000秒時(shí)的溫度場01管板-管子焊接殘余應(yīng)力分析模擬的建立02蒸發(fā)管與管板焊接殘余應(yīng)力場的結(jié)果分析03蒸發(fā)管與管板焊接殘余變形的分析4.焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力場分析4.1管子-管板焊接殘余應(yīng)力分析模擬的建立幾何模型和網(wǎng)格劃分與第三章相同，采用間接耦合，在第三章溫度場的基礎(chǔ)上進(jìn)行殘余應(yīng)力模擬。分網(wǎng)時(shí)不再采用溫度場計(jì)算單元SOLID70，而使用三維結(jié)構(gòu)分析單元SOLID45，此過程僅需要調(diào)用ETCHG，TTS命令。在應(yīng)力場計(jì)算時(shí)，將溫度場計(jì)算數(shù)據(jù)按相同時(shí)間步作為載荷施加于應(yīng)力單元和節(jié)點(diǎn)上。邊界條件僅需施加蒸發(fā)管端面的位移全約束4.2蒸發(fā)管與管板焊接殘余應(yīng)力場的結(jié)果分析管板表面焊接殘余應(yīng)力分布設(shè)定數(shù)據(jù)讀取路徑，共四條（a）path1徑向殘余應(yīng)力（b）path1環(huán)向殘余應(yīng)力各路徑焊接結(jié)構(gòu)上存在的徑向和環(huán)向殘余應(yīng)力（a）path2徑向殘余應(yīng)力（b）path2環(huán)向殘余應(yīng)力（a）path3徑向殘余應(yīng)力（b）path3環(huán)向殘余應(yīng)力（a）path4徑向殘余應(yīng)力（b）path4環(huán)向殘余應(yīng)力單胞管板在焊縫周圍鄰近區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力場具有較高的自限性。當(dāng)管板厚度為20mm時(shí)，因焊接所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力在單胞模型的邊緣處的應(yīng)力水平接近于0，拉應(yīng)力與壓應(yīng)力在單胞范圍內(nèi)達(dá)成變形協(xié)調(diào)，在理論上，對(duì)與其相鄰的管板不會(huì)產(chǎn)生影響。4.3蒸發(fā)管與管板焊接殘余變形的分析焊接結(jié)束時(shí)的總位移云圖焊接結(jié)束時(shí)的管板位移云圖除邊角以外，單胞管板邊緣其余部分的計(jì)算位移值不大。殘余總位移的最大值出現(xiàn)在管子伸出側(cè)管板上表面設(shè)置如圖所示取值路徑，考察AB邊（path1）與CD邊（path2）在X軸方向的位移，以及AD邊（path3）與BC邊（path4）在Y軸方向的位移情況沿路徑1、路徑2各節(jié)點(diǎn)X向位移沿路徑3、路徑4各節(jié)點(diǎn)Y向位移位移偏差方向相同，且在x軸正向，在邊緣中點(diǎn)處的相對(duì)位移值低于0.02mm。y向，在邊緣中點(diǎn)處的相對(duì)位移值低于0.01mm。采用同樣的方法分析單胞管板下表面相對(duì)邊緣中點(diǎn)位置處的相對(duì)位移量。同樣在下表面邊緣設(shè)置四條取值路徑。沿路徑5、路徑6各節(jié)點(diǎn)X向位移沿路徑7、路徑8各節(jié)點(diǎn)Y向位移下表面相對(duì)邊緣上所出現(xiàn)的位移同樣具有相同的方向。同樣以邊緣中點(diǎn)處的位移相對(duì)值為表征，下表面左右和上下邊緣的相對(duì)位移低于0.001mm。5.水平管蒸發(fā)器的整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證及工況校核有限元模型的建立5.1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析5.2蒸發(fā)管管端偏移量分析5.35.1有限元模型的建立根據(jù)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和載荷對(duì)稱性，建立整體結(jié)構(gòu)四分之一的三維有限元幾何模型水平管蒸發(fā)器的管板、噴淋管、蒸發(fā)管、殼體等部位均采用六面體八節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析單元SOLID45進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)263950個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)444110個(gè)。載荷施加情況A水平管蒸發(fā)器的載荷情況C位移邊界條件B溫度場邊界條件5.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析在工作溫度、壓力下進(jìn)行蒸發(fā)器的整體有限元強(qiáng)度分析，其Mises應(yīng)力云圖峰值應(yīng)力出現(xiàn)在管箱上，設(shè)計(jì)壓力下管箱應(yīng)力云圖，取路徑1在設(shè)計(jì)壓力下，對(duì)管板進(jìn)行應(yīng)力分析，提取管板上的最大應(yīng)力，并在此應(yīng)力處做一路徑，路徑2在管箱最大應(yīng)力處，沿管箱厚度提取路徑1，管板最大應(yīng)力處沿管板厚度提取路徑2.路徑路徑1路徑2許用應(yīng)力評(píng)定局部薄膜應(yīng)力/MPa122.7117.41.5×113.8合格一次+二次應(yīng)力/MPa172.498.933×113.8合格管板的減薄并未對(duì)工作狀態(tài)下蒸發(fā)器的強(qiáng)度造成影響。極端條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工況一：殼程達(dá)到水壓實(shí)驗(yàn)壓力，管程壓力為0；工況1條件下水平管蒸發(fā)器整體應(yīng)力云圖工況1條件下管板Mises應(yīng)力分布云圖路徑1應(yīng)力值許用應(yīng)力評(píng)定局部薄膜應(yīng)力/MPa75.761.5×113.8合格一次+二次應(yīng)力/MPa64.043×113.8合格工況一下管板最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力評(píng)定工況二：管程達(dá)到水壓實(shí)驗(yàn)壓力，殼程壓力為0。工況1條件下水平管蒸發(fā)器整體應(yīng)力云圖工況1條件下管板Mises應(yīng)力分布云圖工況一下管板最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力評(píng)定路徑1應(yīng)力值許用應(yīng)力評(píng)定局部薄膜應(yīng)力/MPa57.321.5×113.8合格一次+二次應(yīng)力/MPa80.993×113.8合格考慮工況二下矩形管箱的強(qiáng)度問題。截取應(yīng)力水平最高的管箱邊角設(shè)計(jì)壓力下管箱Mises應(yīng)力分布云圖工況二下管箱最大應(yīng)力點(diǎn)處的應(yīng)力評(píng)定路徑1應(yīng)力值許用應(yīng)力評(píng)定局部薄膜應(yīng)力/MPa140.61.5×113.8合格一次+二次應(yīng)力/MPa2173×113.8合格5.3蒸發(fā)管管端偏移量分析水平蒸發(fā)管束在垂直于軸線的X（蒸發(fā)器水平方向）和Y（蒸發(fā)器垂直方向）方向所得到的位移云圖。X軸方向Y軸方向X方向（蒸發(fā)器水平方向）的最大正負(fù)向位移值，蒸發(fā)管的管端最大水平偏差為：0.35+0.48=0.83mm。整體小于2mm，