基于ansys进行的锅炉锅筒暂态应力分析--鹿高明

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1、中国仿真科技论坛电子期刊NO.9基于ANSYS进行的锅炉锅筒暂态应力分析鹿高明，郝振华（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）摘要：本文利用有限元方法对某国产300MW亚临界机组的锅炉锅筒(包括下降管接头)的应力状态进行了分析计算。在计算中考虑了内外壁温差引起的热应力、工质内压引起的机械应力。根据计算的结果，分析了产生应力集中的区域，并根据分析的结果提出了延长锅筒寿命的方法。关键词：有限元分析锅炉锅筒应力场StudyofBoilerDrumtransientStressBasedonANSYSLugao-ming,Haozhen-hua(EnergyScienceand

2、EngineeringCollege,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Inthispaper,thestressconditionsofa300MWunit’sboilerdrumandit’tdowncomerteewereanalyzedbyFiniteElementMethod.Thestudyofstresscomprehendedbothmechanicalstressbyinternalpressureandthermalstressbythewalltemperaturechange.Simu

3、ltaneously,thestressconcentrationconditionswereanalyzed.Asuggestiononhowtoprolonglifeofboilerdrumwasgiveninthispaper.keywords:finiteelementanalysis;boilerdrum;stressfield1前言锅筒是锅炉重要承压部件。正常运行时锅筒主要承受恒定载荷作用，而在锅炉启停阶段或变负荷运行时，锅筒将承受交变载荷的作用，其中包括内压及各种温差应力。锅筒承受的应力主要有锅筒内工质压力引起的机械应力和壁面温度变化引起的热应力。锅筒内工质压力产生的机械

4、应力有环向、轴向和径向应力。在锅炉启动和停炉过程中，锅筒壁内的温度和传热条件不断变化，锅筒筒体存在3种温差:内外壁温差(沿壁厚方向存在温度梯度)、上下壁温差(圆周方向的温度不均匀)、纵向温差(长度方向的温度不均匀)。因锅筒在纵向可以自由膨胀，故可以略去纵向温差的影响[1]。本文讨论的热应力仅仅考虑了内外壁温差所引起的。9中国仿真科技论坛电子期刊NO.91问题描述及模型的建立本文算例为某国产300MW亚临界机组的锅炉锅筒，其计算的相关参数如下表1所示。表1锅筒计算的相关参数（启动到400min）锅筒筒体外径2149mm泊松比0.3锅筒筒体内径1743mm热传导系数39.4E-3W/(mm

5、·℃)下降管座筒体外径720mm弹性模量2.07E5MPa下降管座筒体内径420mm热膨胀系数10.93E-6mm/(mm·℃)工质压力11.0MPa内壁平均温度341℃外壁平均温度311℃计算工具采用了大型通用有限元分析软件ANSYS8.0。需要注意的是，为了使ANSYS输出的应力单位为MPa，物性参数中的长度都要采用毫米制。2.1未开孔圆筒内压应力分析设锅筒圆筒的内半径为a，外半径为b，令半径比K=b/a，则内压P作用下锅筒圆筒的应力分布根据拉梅公式[2]有：9中国仿真科技论坛电子期刊NO.9(1)图1圆筒有限元模型9中国仿真科技论坛电子期刊NO.9据此公式按表1相关参数可以计算出

6、未开孔圆筒内压应力的解析解。应用ANSYS建立如图1的模型进行有限元计算，将有限元计算的结果与解析解进行比较，可得到如下的对比图。9中国仿真科技论坛电子期刊NO.99中国仿真科技论坛电子期刊NO.9图2未开孔圆筒机械应力9中国仿真科技论坛电子期刊NO.9从图中可以看出内压作用下的（环向应力）与（径向应力），ANSYS解与解析解还是比较接近的，误差最大的值不会超过5％。同时可见圆筒壁中应力有如下性质[3]：(1)>>(由于很小，而没有计算),它们即为主应力，为主方向；(2)、沿壁厚分布均匀，内壁处应力（绝对值）最大；为拉应力，为压应力。为此，需要特别注意容器的纵焊缝的强度；(3)K值越大

7、应力分布越不均匀，说明材料利用不充分9中国仿真科技论坛电子期刊NO.92.2未开孔圆筒热应力分析由于锅炉锅筒工作时处于一定的温度环境下，温度的变化导致材料的膨胀或收缩，若外部的约束或内部的变形协调要求而使膨胀或收缩不能自由发生时，结构中就会出现附加的应力。这种因温度的变化而引起的应力称为热应力。对于内半径为a，外半径为b的厚壁圆筒，当两端自由且绝热，筒内无热源，内壁温度为Ta，外壁温度为Tb，可求得容器壁内任一半径r处的温度分布为[4]：（2）