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有限元分析采用間接耦合的方法計(jì)算鍋筒總應(yīng)力場(chǎng)。首先采用8節(jié)點(diǎn)六面體SOLID70單元計(jì)算溫度場(chǎng)，然后把溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果和機(jī)械載荷加載在SOLID185單元上計(jì)算鍋筒的總應(yīng)力。
按照先管束后管板的順序?qū)﹀佂哺鞑糠诌M(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)管束和管板區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。不同單元尺寸下的網(wǎng)格精度與管板應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系如表4所示。選擇單元邊長(zhǎng)為4mm的網(wǎng)格精度，此時(shí)既保證了計(jì)算結(jié)果的合理性，又可以減少計(jì)算時(shí)間。此精度下鍋筒單元總數(shù)為1699515個(gè)。
由圖4的管板機(jī)械應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，管板無(wú)孔區(qū)域應(yīng)力數(shù)值一致，管孔各方向應(yīng)力分布不均勻。應(yīng)力水平沿各管孔縱截面到橫截面呈由大到小的趨勢(shì)，且由內(nèi)壁至外壁方向逐漸降低。φ57下降管管孔的各個(gè)縱截面附近的應(yīng)力水平均很高，發(fā)展的范圍也比水冷壁及對(duì)流蒸發(fā)管束的φ38管孔要大。管板機(jī)械應(yīng)力最大值為45.68MPa，位于爐后第2列第3根管孔壁面上。
如圖5所示，除外壁輻射區(qū)DE段外，管板內(nèi)外壁及管孔的熱應(yīng)力水平較低且分布均勻。外壁DE段周向及該區(qū)域內(nèi)兩列管孔的徑向應(yīng)力梯度較大，并在外壁孔邊出現(xiàn)了小范圍的應(yīng)力集中，這是由于該區(qū)域較大的周向溫差和徑向溫差所導(dǎo)致的。管板最大熱應(yīng)力點(diǎn)位于爐后第5列第1根管束管孔外壁，最大值為89.5MPa。
如圖6所示，管板內(nèi)外壁總應(yīng)力水平不高且分布均勻，除輻射區(qū)DE段外各管孔橫截面應(yīng)力水平較低，縱截面應(yīng)力水平較高，但沿管孔軸向應(yīng)力水平變化不明顯。DE段外壁周向及管孔軸向應(yīng)力梯度較大，并在外壁孔邊出現(xiàn)了應(yīng)力集中，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在斜向孔橋上。
總應(yīng)力最大值點(diǎn)出現(xiàn)在爐后第5列第2根管孔邊緣上，最大值為106.6MPa。該點(diǎn)的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力分別為29.4和82.5MPa。兩者之和111.9MPa稍大于總應(yīng)力最大值，可見(jiàn)由壓力和溫差引起的兩部分應(yīng)力在該點(diǎn)處相互疊加，均對(duì)總應(yīng)力的數(shù)值產(chǎn)生較大影響。
應(yīng)力最大值點(diǎn)出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中，遠(yuǎn)高于筒體的平均應(yīng)力水平。此處為結(jié)構(gòu)的不連續(xù)區(qū)域，應(yīng)力梯度較高，應(yīng)對(duì)該處進(jìn)行強(qiáng)度校核。如圖所示，因應(yīng)力集中的范圍很小，故只需選擇經(jīng)過(guò)最大應(yīng)力值點(diǎn)，并且貫穿管孔方向的一條應(yīng)力評(píng)定線即可。分類的線性化等效應(yīng)力如圖所示，圖中由上至下的3條曲線依次為應(yīng)力評(píng)定路徑上的總應(yīng)力、薄膜加彎曲應(yīng)力及薄膜應(yīng)力。
依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的強(qiáng)度安全判據(jù)對(duì)鍋筒進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定。最大線性化的薄膜加彎曲等效應(yīng)力為69.8MPa，即一次與二次等效應(yīng)力之和小于該溫度下的3倍許用應(yīng)力372MPa，表明鍋筒滿足強(qiáng)度要求，并且具有較大的安全裕度。
根據(jù)增壓鍋爐鍋筒結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)建立了鍋筒三維實(shí)體模型，結(jié)合換熱方式對(duì)其劃分了詳細(xì)的計(jì)算區(qū)域，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了鍋筒穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算載荷，利用ANSYS軟件對(duì)鍋筒應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元分析，基于計(jì)算結(jié)果對(duì)鍋筒進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定。
研究表明管板總應(yīng)力最大值點(diǎn)位于爐后方向第5列第2根管孔邊緣，機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力在該點(diǎn)疊加，使得總應(yīng)力數(shù)值達(dá)到106.6MPa。對(duì)該點(diǎn)處的應(yīng)力進(jìn)行分類和評(píng)定，結(jié)果表明該點(diǎn)的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料在工作溫度下的許用應(yīng)力，鍋筒具有較大的安全裕度。
本文給出的基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)力計(jì)算載荷確定方法解決了結(jié)構(gòu)及換熱復(fù)雜情況下鍋筒應(yīng)力計(jì)算的難題，可以應(yīng)用到增壓鍋爐鍋筒的應(yīng)力計(jì)算與強(qiáng)度校核中。
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