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关键词： 接触密封   应力分析   尺寸优化   泄漏   双端面化工泵  

摘要： 化工泵广泛应用于石油、化工、医药、食品等有特殊要求的行业,长期工作在高温、高压、高腐蚀强度的环境,运行过程中易出现跑冒滴漏现象,严重影响产品的质量和机器的使用寿命。机械密封凭借密封性能好、结构简单、制造成本低廉的优点,常用于化工泵的密封,以减少污染,提高产品质量。双端面密封作为机械密封的一种,由于其隔离腔中注有隔离液,密封性能更佳,是承载有毒、易挥发介质化工泵密封的首选。双端面化工泵密封系统包括动、静环组成的两套密封副,两套密封副之间的隔离腔,密封副与端盖之间的密封圈等部分构成。由于工况恶劣、结构相对复杂,双端面化工泵密封易发生失效,导致安全事故。由于化工泵承载介质的差异,对双端面密封的性能指标要求有所不同,结构设计与优化是实现双端面密封性能指标的关键。承载介质为石灰浆的ZTJGB-100S型双端面化工泵,因结构设计不合理,运转时常发生动环破损、密封圈变形损伤等现象导致密封失效。本文针对该型号密封系统的结构进行优化设计以及性能分析。主要开展的工作如下:（1）针对ZTJGB-100S型双端面化工泵密封系统常见失效形式,分析密封系统中导致失效的原因。在双端面机械密封系统中,由于密封介质内外压力差较大,导致系统中靠近端盖侧的密封副动环和密封圈易发生损坏而产生失效。针对双端面密封系统中易失效部件进行结构优化,提高系统的密封性能。（2）采用有限元法对双端面密封系统中靠近端盖侧的密封副动环结构进行优化设计。分析密封副动环的坡度角对应力、形变以及使用寿命的影响规律。结果显示:密封动环的坡度角为7°时,动环最大应力与形变分别从4.79MPa和0.46179μm减小到了4.68MPa和0.45204μm,使用寿命从1.302x1012增加到2.118x1012次。坡度角的优化有利于密封动环降低内部应力,减小整体形变,并延长其使用寿命。（3）建立端盖侧密封副有限元结构模型,研究密封副接触面中动环内外径尺寸变化对接触面应力的大小和分布规律。结果表明,保持动环原有外径69mm不变,内径减少0.1mm时,可使密封副接触面增加8.5mm,外径附近应力提高,内径附近应力相对较低,应力整体数值较大。故适当减小动环接触面内径,增大接触面积,可有效提升密封效果。（4）在分析原有靠近端盖侧O型密封圈失效原因的基础上,建立O型密封圈有限元模型,对比分析不同截面直径O型密封圈对变形量、压缩量、压缩率和剪切应力等关键技术指标的影响规律。结果表明,截面直径为4.6mm的O型密封圈由于其相对于密封间隙尺寸过大,所承受挤压应力过大而出现严重变形;截面直径为3.5mm的O型密封圈因尺寸相对较小,受挤压后易形成缝隙;截面直径为3.7mm的O型密封圈具有较小的变形量、压缩率和剪切应力。故在实际的使用中应优先选用截面直径为3.7mm的O型密封圈,以提高密封效果和降低生产成本。（5）为了进一步验证双端面化工泵密封系统结构优化效果,分别利用动、静态测试台,采用单因素法对比分析优化前后系统的泄漏量。结果表明:在8kg载荷作用下,线速度25m/s,测试时间为4h,其动态泄漏量可从5m L/h减小至4m L/h。双端面化工泵密封结构优化设计能有效提升其密封效果。

关键词： 连续梁   施工工艺   悬臂灌筑施工   竖向位移   应力  

摘要： 当连续梁边墩墩高较高,边跨现浇段较长时,无法采用现浇支架施工边跨现浇段,采用托架施工边跨现浇段会使边墩承受很大不平衡弯矩。针对这种特殊施工条件,可以采用非对称悬臂灌筑施工,即缩短边跨现浇段,先合龙中跨,再悬臂浇筑一个不平衡节段,最后采用托架施工边跨现浇段的施工工艺。但这种施工工艺和传统对称悬臂灌筑施工的对称悬臂灌筑施工相比应用较少,因此,对连续梁采用非对称悬臂灌筑施工时结构的力学行为分析势在必行。本文以某高速铁路(48+80+48)m双线预应力混凝土连续梁为工程背景,建立了非对称悬臂灌筑施工和对称悬臂灌筑施工两种施工工艺的有限元模型,分析不同施工工艺下结构的力学行为,主要工作内容如下:(1)以本文提出的预应力混凝土连续梁为例,采用BSAS有限元分析软件,对非对称悬臂灌筑施工和对称悬臂灌筑施工两种施工工艺的有限元模型进行分析和比较,分析结构在施工和运营过程中的力学行为。(2)通过分析两种施工工艺在不同施工阶段结构的力学行为,发现了采用非对称悬臂灌筑施工时,中跨合龙后施工非对称梁段时跨中上缘会出现超出规范限值的拉应力,且施工过程中结构竖向位移变化幅度较大。(3)针对非对称悬臂灌筑施工时结构出现的拉应力超限和竖向位移变化幅度较大问题,从设计角度提出了解决措施,在施工不平衡段时采取压重措施能够有效解决拉应力超限的问题,改变中跨合龙索的张拉时机、改变中墩临时固结的拆除时机、改变压重的大小能够有效解决施工过程中结构竖向位移变化幅度过大的问题,为今后类似工程提供借鉴。

关键词： 裂纹邻域   裂纹张开位移   碳纤维增强复合材料   应力分析   有效影响范围   多裂纹   分布式光纤传感技术  

摘要： 粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固损伤钢结构的机理有两方面,一是降低结构整体应力水平,二是CFRP对裂纹邻域的桥接效应可阻滞裂纹开裂,其中后者与裂纹张开位移(Crack opening displacement,COD)有关,荷载传递机制较为复杂,相关研究工作较少。本文首先构建裂纹邻域CFRP板应力理论分析模型,提出裂纹对CFRP板应力场的有效影响范围概念及其计算公式,随后设计CFRP板加固含裂纹钢构件试验对理论模型进行验证,确定有效影响范围参数的取值,最后基于有效影响范围设计CFRP板加固含多裂纹钢构件试验,研究有效影响范围与相邻裂纹深度、间距的关系对CFRP板应力分布的影响,主要研究内容和成果如下: (1)通过对CFRP板-胶层-钢基体界面力学行为分析,构建了裂纹邻域CFRP板应力理论分析模型,提出裂纹对CFRP板应力场分布的有效影响范围概念,结合界面剪应力公式确定有效影响范围的理论计算公式。 (2)设计CFRP板加固含单裂纹钢构件试验,结合三维有限元分析模型验证CFRP板应力理论分析模型,同时引入分布式光纤传感技术采集CFRP应力场,结果表明:光纤传感技术在宏观层面上准确反映了CFRP板应力场的连续分布,CFRP板正应力的应变片实测数据与理论、有限元值吻合良好,验证了CFRP板应力理论分析模型的正确性。 (3)通过对裂纹邻域CFRP板的正应力与界面剪应力分析,确定有效影响系数取值,并基于CFRP板加固含单裂纹钢构件的有限元模型,针对有效影响范围在不同的材料参数、裂纹深度条件下分别进行参数化研究,结果表明:裂纹深度和CFRP板的弹性模量、厚度改变对有效影响范围的作用规律相同,当这些参数变大,有效影响范围随之增加;胶层的剪切屈服强度、剪切模量提高后,有效影响范围降低,胶层厚度增加后,有效影响范围反而增大。 (4)基于有效影响范围设计了CFRP板加固含多裂纹钢构件试验,探究裂纹间距与有效影响范围之间的关系和CFRP应力场演化的联系,试验结果表明:当相邻裂纹间距大于各自有效影响范围之和时,相邻裂纹邻域的CFRP板应力场不会相互影响,反之,相邻裂纹邻域的CFRP板应力场会互相影响,此时裂纹邻域CFRP板应力分析理论模型存在一定的局限性,而有限元分析模型可以较为真实模拟这一情况。 本文研究了裂纹邻域CFRP板的应力分布、演化规律及其影响因素,研究成果可为选择合适的CFRP板加固含单(多)裂纹钢构件方案提供参考。

关键词： 表面织构   飞秒激光   高熵合金   摩擦磨损   应力  

摘要： 随着钛合金等各种难加工材料的广泛应用,对切削刀具的要求也越来越高。为了提高刀具材料的性能,涂层刀具技术是一种很有发展前景的刀具技术。同时随着仿生摩擦学的发展,研究人员发现在材料表面加工一些特定形状可以显著提高材料的耐磨性,从而发展起来了表面织构技术。而刀具研究人员,看到了这种技术的前景将涂层刀具和表面织构技术结合,设计出了表面织构涂层刀具,从而显著提升刀具的使用寿命。本文利用飞秒激光技术在课题组设计的刀具用Al Cr Mo Fe Ni1.8Nb1.5高熵合金涂层表面加工了不同形状的表面织构,进一步改善高熵合金涂层的耐磨性能,指导无润滑加工条件下,性能优异的表面织构化高熵合金涂层设计。得到以下结论:（1）采用正交试验和单因素试验,研究了激光频率、扫描速度和加工次数对凹槽织构成形性及深度的影响,确定了能够在高熵合金涂层表面加工出成形性好且具有显著深度特征凹槽织构的飞秒激光工艺参数范围:激光频率为300-800 k Hz,扫描速度≤250 mm/s,加工次数≥5。（2）直线槽表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4时的磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损。在磨球为TC4钛合金时,磨损形式主要为黏着磨损和疲劳磨损。加工参数为:激光频率≥800 k Hz、扫描速度100 mm/s、加工次数5-9、织构间距为1 mm时,可以得到不同磨球下均有优异耐磨性的直线槽表面织构化高熵合金。（3）交叉槽表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4和TC4钛合金时,具有与直线槽织构样品相同的磨损形式。且交叉槽相比直线槽提升了对磨屑的储存,从而使交叉槽表面织构化高熵合金在不同磨球条件下具有更优的耐磨性。加工参数为:激光频率300 k Hz、扫描速度≥200 mm/s、加工次数7、织构间距1 mm时,可以得到不同磨球下均有优异耐磨性的交叉槽表面织构化高熵合金。仿真结果表明,直线槽和交叉槽表面织构的存在能够改善摩擦过程中高熵合金表面的应力集中。性能优异的直线槽表面织构需要更深的织构深度,而性能优异的交叉槽表面织构需要更浅的织构深度,仿真结果与摩擦磨损试验结果一致。（4）凹坑形（圆形、方形、三角形）表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4时的磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损。在高载荷摩擦条件下,圆形和三角形凹坑织构与槽类织构相比,更能有效地储存磨屑,提高高熵合金的耐磨性。凹坑形表面织构化高熵合金在磨球为TC4钛合金时的磨损形式主要为黏着磨损。所有凹坑形织构与槽类织构相比,能够显著储存TC4磨屑,从而显著降低了TC4对织构化高熵合金表面的黏着磨损程度。仿真结果表明,凹坑形表面织构改善了摩擦过程中高熵合金表面的应力集中。

关键词： 超导磁体   环氧树脂   浸渍工艺   应力分析   机械性能  

摘要： 高磁场在科学技术的进步中扮演着至关重要的角色,它不仅推动了诸多重大的科学发现,同时也催生了众多新技术的出现。超高磁场的产生和应用研究不仅为高端装备制造、需要极端条件的科学设施、生物医疗的发展、国防军事装备的制造、高精度的科学仪器等提供强大的技术支撑,同时还对农业应用的发展拥有深远的影响。但是长久以来,我国的高场超导磁体技术由于种种原因,在其中的关键技术和工艺上与国外还是有些差距,大部分高端仪器设备还依赖从国外进口,这大大限制了我国科研事业的发展。本课题研究旨在探索科研背场用无骨架超导磁体的设计与制造,并通过改进工艺、绝缘支撑结构等降低环氧树脂浸渍的超导磁体的失超风险。研究将超导磁体与机械学科相结合,研究结果可以为超导磁体机械性能分析奠定数据基础,为超导磁体在高端装备中的设计建造与应用提供实际的工程经验,为实现高场超导磁体的全面国产化,追赶甚至超越国外的研究进展,使我国在高场超导磁体领域的发展不再受制于人。主要研究内容和结果如下:(1)本论文根据目标需求,基于超导磁体的主要技术需求、机械加工性能和经济效益等的考虑,创新性得采用无骨架结构设计,并决定采用低温超导Nb Ti圆线绕制超导磁体线圈。结合超导磁体额定工作电流和均匀度等的要求,对磁体进行电磁分析设计,确定了采用3+2的螺旋管线圈构型,并用ANSYS有限元分析软件对螺线管线圈结构在额定工作电流下,电磁场的特性进行仿真分析,获得了准确的磁场分布情况,结果显示无骨架线圈的各项参数达到了设计要求。并对超导磁体线圈运行过程中所受到的电磁应力进行了数值分析和三维仿真研究,得出磁体所受电磁应力最大值为86.92MPa,远小于其允许的极值,磁体不会遭到破坏。(2)采用GM制冷机用传导冷却方式冷却超导线圈,使磁体达到正常工作温度,创新性地提出无骨架超导线圈的结构设计方案,并成功完成全流程加工制造,验证了方案的可行性。(3)搭建了基于超导磁体线圈无骨架设计的绕制和真空压力浸渍平台,优化并制定了Nb Ti超导无骨架线圈的VPI工艺流程与工艺参数,使其满足高场超导磁体线圈的制作。研究了改性后的环氧树脂绝缘体系的机械性能,并用11.2%wt Al N-IR3环氧树脂体系对无骨架超导线圈进行浸渍固化处理,得到高质量无骨架超导磁体线圈。(4)最后,通过实验研究分析了线圈浸渍后在低温和室温下的机械性能,结果表明真空压力浸渍后得到的线圈样品在77K下的剪切强度为108.09MPa,远优于超导线圈在低温下正常工作时所承受的极限应力值。经过上述研究工作,证明了所设计的无骨架超导磁体线圈结构方案可以满足实际工程的需求,并且也证明了优化后的真空压力浸渍固化工艺能够应用于实际工程中超导磁体线圈的加工制造。

关键词： 电阻熔覆   热力学   COMSOL模拟   应力场   温度场  

摘要： 铁基非晶具有高强、高硬、高耐磨耐蚀、价格低廉等特点,其涂层广泛应用于航空、航天、船舶等领域。电阻熔覆技术能够克服热喷涂、激光熔覆等传统涂层制备工艺中的孔隙、裂纹等缺陷,有效制备高性能铁基非晶及非晶/WC复合涂层。本文主要围绕电阻熔覆技术展开研究,通过微观组织分析及热力学计算探索了制备非晶/WC复合涂层过程中析出相MoC的析出原理;通过有限元软件COMSOL模拟了粉末压制过程中粉末层应力、位移及孔洞体积分数的分布状态;通过有限元法模拟了熔覆过程中电场、温度场的分布情况,模拟结果高温区位置与实际熔覆过程吻合,并对温度分布的动态变化原因进行了分析。首先,在电阻熔覆制备的非晶/WC复合涂层微观分析中,发现涂层中析出物的数量、分布等与WC-12Co的含量及分布位置密切相关。通过热力学计算发现,当温度高于1510 K时,WC有自发分解为WC的趋势,WC、WC、MoC稳定性依次增加。涂层中MoC的析出是由于WC颗粒分解为C和WC,使得游离的C元素含量升高,C与Mo元素结合形成MoC。其次,通过有限元法对粉末压制过程进行研究,发现压片机压制粉末时,粉末层应力与孔洞体积分数整体分布均匀,仅在两端小范围内表现出差异。压制过程中,由于粉末层形变状态的改变,粉末层应力值随指定位移的增大呈现出先增加后减小再增加的变化趋势。电极轮压制粉末,粉末层中心位置应力值随指定位移变化规律与压片机压制相似,两侧区域的应力值变化在指定位移方向上相对中心位置有所滞后,滞后程度随距离的增加而增大。最后,通过有限元法对熔覆过程电场、温度场进行研究,发现电流密度高的区域为:电极轮正下方粉末层底部的某些点位、以电极轮与粉末层接触面左右两端为中心的邻近区域。温度场以电极轮正下方为中心,呈“凹”字形分布(起始阶段),逐渐转变为左边高、右边次之、中间低的分布(过渡阶段),最终趋于稳定(平衡阶段)。采用高速摄像机对熔覆过程进行拍摄,发现高温区确有明显的滞后现象,模拟结果与实际熔覆过程吻合。

关键词： 热采井   蒸汽吞吐   套损   温度场   应力场   神经网络   遗传算法  

摘要： 随着常规易开采油藏资源日益匮乏,稠油将会是未来重要的战略资源。由于稠油的粘度较大不易开采,当前主要采用加热降粘采收工艺,例如:蒸汽吞吐技术、蒸汽辅助重力卸油技术(SAGD)、蒸汽驱和火烧油层等。高温蒸汽从井口注入油藏进行加热的过程中,管柱和井筒被加热,井筒长时间服役高温环境下。在恶劣的工作环境中,套管因热胀冷缩的作用产生形变,由于井壁的束缚,套管在高温的作用下产生较大的热应力,引起套管材料性能的改变。本文应用热传递的基本理论,结合井筒内流体的能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律,建立了蒸汽吞吐工艺下的热采井的套管-水泥环-地层的物理模型,探究使用不同导热系数的隔热油管、注汽压力参数和注汽温度参数对套管温度场和应力场的影响。本文以公式迭代方法计算了井筒的总传热系数,计算得到的总传热系数误差为6%,在运用公式迭代法计算传热系数过程中,得到了套管内壁的温度。对比公式迭代计算得到的套管内壁温度和有限元模拟得到的套管内壁温度,两者的误差为10.8%。随着注入蒸汽温度的升高,套管内壁的温度升高,等效应力增大。当注汽温度从150℃升高至350℃后,套管等效应力升高约43%。注汽压力增大,套管的应力值出现了减小的情况,并且注汽压力从4 MPa增大至18 MPa后,引起的套管应力值的下降约3.7%,注汽压力变化对套管等效应力值影响较小。本文以温度场和应力场的仿真数据作为神经网络的训练集,井深、地层温度、注汽温度、注汽压力等参数作为神经网络的输入,套管的温度和等效应力作为神经网络的输出,建立神经网络模型,并结合遗传算法优化方法,对套管的温度场和应力场的二次仿真。神经网络的运行结果表明套管温度的预测值与ANSYS仿真得到的套管温度值误差在1.2%以内,等效应力的预测值与ANSYS仿真的等效应力值误差在0.3%以内。神经网络能够准确地预测热采井的温度场与应力场的情况,计算时间比ANSYS的有限元仿真时间缩短近40%。

关键词： 装配式塔筒   钢-混凝土组合结构   预应力损失   应力分析   损伤机理   塔顶位移   稳定性  

摘要： 风能是一种绿色、环保、可再生的清洁能源，其开发可以有效减少环境污染和能源匮乏等问题。近年来，随着可持续发展理念的提出，我国开始大力发展风力发电，风电在能源市场的占有率也在逐渐提升。钢-混凝土混合式塔筒具有抗振性能好、刚度大、耐久性好以及生产运输方便等优点，因此在大容量风机结构的应用中表现出明显的优越性。预应力的损失可能导致结构裂缝的出现和扩展，从而影响结构的安全性。然而针对预应力装配式混合塔筒的研究相对较少，因此有必要对预应力损失条件下塔筒的受力性能和稳定性进行研究。本文基于实际工程，采用有限元软件ABAQUS建立了预应力装配式混合塔筒的三维有限元模型，研究了预应力损失的影响下塔筒应力、损伤以及塔顶位移的变化规律，并对塔筒进行了稳定性分析，主要研究成果如下:　　（1）根据规范计算了预应力装配式混合塔筒的预应力损失值，并在此基础上进行了结构安全复核。结果表明，预应力损失会导致结构安全裕度降低，但塔筒的承载能力仍然满足规范要求。根据实际塔筒参数建立了三维有限元塔筒模型，在极限荷载工况下，对比分析了有无预应力损失对塔筒应力和损伤的影响。结果表明，预应力损失35.2％后，塔筒迎风侧混凝土塑性受拉损伤区域增加，预应力钢绞线最大应力增加了 7.19％;受压侧塑性损伤因子从0.0847增大到0.3268,预应力损失对结构承载能力有显著影响。此外，通过对正常运行极限荷载工况下塔顶位移值的计算分析，验证了有限元模拟结果的合理性。　　（2）研究了预应力损失幅度增加时预应力混凝土塔筒应力、位移以及塑性损伤的变化规律。结果表明，随着预应力损失幅度的增加，塔筒的最大主应力变化经历了消压段、增长段和塑性扩展段三个阶段。预应力损失幅度增加时，M02节塔筒接缝处首先出现塑性损伤，并且损伤区域逐渐扩展，最终水平接缝和门洞两侧都出现严重的塑性损伤，损伤因子超过0.9。预应力损失对结构的自振频率没有影响，并且一阶频率与现场实测的频率吻合，验证了模型的合理性。此外，还对比分析了局部预应力损失模型和整体损失模型结构应力、位移以及塑性损伤的扩展情况。结果显示，局部损失模型的最大主应力以及塑性扩展情况与整体损失模型的规律基本相同，但在相同的预应力损失幅度下，局部损失模型的最大主应力和损伤因子更大。此外，当预应力损失幅度从0％增加到100％时，局部损失模型的塔顶位移从0.3225m增加到0.5217m,增加了 61.7％。因此，局部预应力损失对结构的影响更大。　　(3)根据屈曲基本理论，本文建立了塔筒屈曲有限元计算模型，并进行了线性屈曲和非线性屈曲分析。研究结果表明，非线性屈曲分析得到的临界荷载小于线性屈曲分析的临界荷载，因此在屈曲分析中考虑材料非线性和几何非线性十分必要，可以更接近实际情况，确保计算的临界荷载更加准确。经过复核，塔筒的临界荷载大于极限荷载工况下的最大压力，因此塔筒不会发生屈曲。预应力的损失和门洞的存在都会降低塔筒的稳定性，导致临界荷载的减小。　　(4)针对预应力混凝土塔筒的薄弱位置，本文建立了分缝拼接模型和整浇模型，对混凝土塔筒水平接缝处不同工况下的应力以及损伤情况进行了分析。结果表明，正常运行极限荷载工况下，两种模型的受力情况相似，受拉侧均未出现拉应力，接缝处主应力大小与高度呈线性关系。极限荷载工况下，分缝模型的最大主应力会大于整浇模型，并且二者的应力集中区域并不相同。分缝塔筒的受拉侧下表面边缘产生竖向裂缝，并且随着弯矩的增加逐渐向上扩展延伸。而整体浇筑塔筒产生横向的水平裂缝，随着弯矩逐渐增大，裂缝先沿着塔筒壁水平扩展长度增加，然后逐渐沿着45°向下延伸出现斜裂缝。

关键词： 地铁   厅台分离   斜通道   接驳口   位移   应力  

摘要： 针对不同施工条件下的地铁车站,一般会采用不同的设计方案。其中,站厅浅埋、站台深埋、站厅与站台由斜通道相连的车站称为厅台分离式车站。这类车站在地铁工程中很少出现。由于这种车站的斜通道的跨度大,且斜通道的施工开挖严重影响着站厅、站台的安全稳定,因此,研究斜通道的施工稳定性和斜通道开挖的动态过程对横通道的影响,并对厅台分离式车站薄弱部位进行力学分析很有必要。本文以西安地铁15号线神舟二路站为工程背景,采用MIDAS GTS NX有限元软件建模,开展长大斜通道衬砌受力分析、斜通道开挖期间支护结构力学响应分析及车站受力薄弱部位分析,主要内容和结论如下:(1)建立了两种斜通道断面形式下的车站模型,通过分析斜通道衬砌受力随埋深的变化,得出了不同断面形式、不同特征部位、不同应力类型的变化规律,即随埋深增大应力逐渐增大或由于接驳口应力集中,随埋深增大应力反而减小;通过对比分析得出了最优衬砌厚度,为0.6m。(2)通过两种斜通道断面形式下的简化车站模型,研究了斜通道开挖期间支护结构力学的响应,分析了斜通道开挖过程中,横通道不同特征断面、不同特征部位的位移变化及开挖前、开挖完成后接驳口不同特征点的应力变化,得出开挖主要影响范围在1.5D～2D(D为斜通道断面横向宽度),开挖完成前后接驳口应力变化很大,出现应力集中;对比分析得出了最优工况,为直墙圆拱型工况。(3)结合实际工程,分析了厅台分离式车站受力薄弱部位的位移、应力特征,如站厅-斜通道接驳口、斜通道-横通道接驳口、横通道-隧道接驳口、斜通道转角处,得出接驳口位移比其他部位更大且应力集中明显;建立了加固措施模型,对比分析了加固前后,斜通道-横通道接驳口的位移、应力变化,得出加固后位移减小、强度极限值增大。

关键词： 弯头   数值模拟   蒸汽参数   腐蚀   应力  

摘要： 弯头是管道系统中流体导向的重要零件,供热管道的弯头在高速蒸汽的冲刷和化学反应的作用下会产生缺陷,缺陷的存在会影响管路运行的安全性和稳定性,降低弯头的使用寿命。因此本文采用有限元分析的方法对不同蒸汽参数下的弯头腐蚀进行研究,并对含缺陷的弯头进行应力分析。主要研究内容包括以下几个方面: 首先对腐蚀机理和腐蚀应力进行了叙述,并根据研究机理选用Fluent软件中VOF和DPM模型进行蒸汽冷凝和冲刷腐蚀模拟,选用Static Structural软件对含缺陷的弯头进行应力研究。 其次根据参考文献和工程实例中案例,确定管道中的相关参数,利用SCDM构建蒸汽管网模型,然后对架空蒸汽管网进行腐蚀模拟。采用VOF的方法模拟不同蒸汽参数下蒸汽冷凝过程,模拟结果表明当蒸汽温度和压强一定时,在蒸汽与管壁的换热时间和压降共同作用下,流速25m/s时凝结水量最大,30m/s时凝结水量最小;随着蒸汽温度的增加,蒸汽分子的热运动和液滴的自由表面积受到影响,温度170℃时冷凝量最大,200℃时冷凝量最小;随着蒸汽压强的增大,蒸汽分子间距和液滴表面积影响了凝结水量的变化,在0.7Mpa时凝结水量最大,0.6Mpa时凝结水量最小。 然后将VOF模型模拟所得的蒸汽凝结水量输入到DPM模型中,模拟不同蒸汽参数下蒸汽夹杂着液滴形成的两相流冲刷腐蚀过程。模拟发现当温度在200℃、压强为0.6Mpa、流速在30m/s时,冷凝水量最小,腐蚀程度最小。 最后通过Static Structural软件对不同参数(流速、压强、温度)下的缺陷弯头进行应力分析,分析表明:流速对应力的影响取决于腐蚀深度的影响,腐蚀深度增加,应力增长;而应力随着温度、压强的增加而增加,温度和压强对应力的影响远大于腐蚀深度的影响,但腐蚀深度的减少,能减缓应力增长的趋势;弯头顶部和底部所受应力远大于腐蚀最严重的弯头内壁外侧部位;弯头内壁外侧所受应力随着腐蚀深度的增加而增加,在许用应力范围内,不会导致管道开裂,但弯头顶部的腐蚀深度接近管壁的六分之一时,弯头所受应力接近许用应力,存在风险。