机械密封环温度场/应力场的数值模拟及实验研究

论文题目: 机械密封环温度场/应力场的数值模拟及实验研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 化工过程机械

作者: 廖和滨

导师: 刘康林,杨晓翔

关键词: 机械密封,有限元法,温度场,应力场,实验检测

文献来源: 福州大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在机械密封装置中,机械密封动静环接触面上的摩擦热容易造成干摩擦或产生较大的温度梯度,从而使密封环内产生过大的热应力并出现热裂纹。本文针对机械密封环的温度场进行了研究,建立了密封动静环的轴对称模型并对其传热规律进行了探讨;与此同时,对密封静环的稳态、瞬态温度场进行测量。首先本文基于有限元模型,将机械密封动静环简化为两个独立的轴对称模型,用有限单元法求解其稳态、瞬态温度场及热应力场的数值结果。在建立了计算机械密封环的物理模型之后,介绍了用轴对称问题的有限单元法求解温度场及应力场的具体过程,并指出了在计算中需要注意的问题。给出了密封动静环的温度场分布和热应力分布规律。同时给出了密封动静环在系统启动阶段,密封端面上某点不同时刻的温度、应力分布图,得到系统达到稳态所需要的时间。其次,本文利用自行设计的试验台,对密封静环进行多点温度测量,得到静环在轴向和径向温度分布规律,将它和数值模拟值进行比较分析;此外,还测量了密封静环在启动阶段某测点的温度曲线图,得到达到稳态所需要的时间。经过比较,测试结果与数值计算结果取得了较好的一致性。经过计算与测试表明,影响密封环温度场、应力场的主要因素:材料的导热性能、密封环所处的工作状态(PcV)、密封环的结构以及密封环与介质之间的对流换热系数等,为实现机械密封端面温度等热信息提取的状态监测和控制提供依据。本文建立的计算和测试机械密封环稳态、瞬态温度场的方法,以及由此产生的热应力的模拟计算,对机械密封环的设计、制造、使用及密封环热状态的进一步研究具有十分重要的意义。

论文目录:

第一章 引言

1.1 本研究的工程背景及意义

1.2 机械密封温度场研究现状

1.2.1 工程简化计算

1.2.2 数值模拟

1.2.3 实验研究

1.3 本文主要研究内容

第二章 机械密封温度场和应力场的数学描述

2.1 概述

2.2 导热微分方程

2.3 温度插值函数

2.4 边界条件

2.4.1 第二类界面单元的单元矩阵

2.4.2 第三类界面单元的单元矩阵

2.5 有限单元法的单元分析

2.6 有限单元法的总体合成

2.6.1 稳态温度场的总体合成

2.6.2 瞬态温度场的总体合成

2.7 热应力场的计算

第三章 机械密封稳态温度场/应力场的数值模拟

3.1 建立计算模型的假设条件

3.2 有限元模型的建立

3.3 密封动静环热边界条件的确定

3.3.1 材料热物理性参数

3.3.2 摩擦副热源强度

3.3.3 对流换热系数的计算

3.3.4 热量分配问题

3.4 热应力场模型建立

3.5 温度/应力场的数值模拟结果及分析

3.5.1 温度场的分布

3.5.2 热应力场的分布

第四章 机械密封静环温度场的实验研究

4.1 机械密封实验台的建立

4.1.1 密封实验台

4.1.2 实验参数的测量

4.2 实验过程

4.2.1 实验准备过程

4.2.2 测试过程

4.3 实验结果与分析

4.4 实验结果与数值解对比

第五章 机械密封环的瞬态传热分析

5.1 密封环瞬态热分析数值模拟模型

5.2 计算结果与分析

5.2.1 温度场的分布

5.2.2 VonMises 等效应力分布

5.3 机械密封静环温度场瞬态实验

5.3.1 实验准备过程

5.3.2 实验过程

5.4 实验结果与数值结果的比较

结论

研究展望

参考文献

致谢

附录1

附录2

附录3

个人简历

发布时间: 2005-10-10

参考文献

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