论文题目: 焦炭塔安全性评价及寿命预测
论文类型: 硕士论文
论文专业: 动力机械及工程
作者: 游进
导师: 王正
关键词: 焦炭塔,有限元单元法,热机械疲劳,裂纹扩展寿命,积分
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 焦碳塔是石化行业延迟焦化工艺的重要设备,由于长期在常温到480℃左右的周期交变温度环境和循环载荷的作用下操作,容易在焊缝部位出现裂纹,长期服役的焦炭塔还会出现鼓凸变形。焦炭塔的强度失效会造成人员伤亡和经济损失,对其进行全面的结构分析和寿命预测具有很大的实际意义和经济价值。为了准确地评价焦炭塔的剩余寿命,本文对实际操作的焦炭塔进行了结构分析,主要针对塔壁温度变化最大的进油生焦和进水冷却过程。根据有限单元法的理论,用ANSYS模拟了这两个过程中塔壁与恒速上升的介质间的动态传热过程,并根据温度场的计算结果用间接耦合法求得了热应力场。对应力场及应变场的分析表明,塔壁外侧在进水冷却阶会产生永久性的塑性变形,焊缝部位处于复杂应力状态,并由于热机械疲劳而导致裂纹产生。复杂应力状态下的热机械疲劳问题是疲劳研究中最复杂的课题之一,目前对这个复杂过程的机制还没有完整性的认识。本文以在役焦炭塔的材料20g制成的带缺口的圆柱型试样作为研究模型,对其进行热机械疲劳总寿命试验;用ANSYS计算试样在不同试验条件下的应力场及应变场,并用当量总应变范围和当量塑性应变范围对材料的热机械疲劳总寿命进行评价,利用疲劳过程的能量概念,尝试用当量塑性应变能密度建立了寿命评价方程;结合焦炭塔结构分析的结果,预测焦炭塔的剩余寿命为24年。对于材料在复杂应力状态下的热机械疲劳裂纹的扩展规律,本文探讨了用J积分对其进行评价的可行性,即直接用数值方法在有限元模型上求得试样在一个载荷循环中J积分变化范围,并以其作为控制参量建立了疲劳裂纹扩展规律经验方程,这为出现裂纹的焦炭塔的疲劳裂纹扩展寿命预测提供了依据。
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 焦炭塔的工况特点及其失效形式
1.2 疲劳问题概述
1.2.1 疲劳破坏
1.2.2 疲劳的分类
1.2.3 热机械疲劳
1.3 高温强度理论及其应用
1.4 课题来源及本文的研究内容
1.5 技术难点及创新
2 焦炭塔工作过程的模拟计算
2.1 焦炭塔的结构尺寸
2.2 有限元模型的建立
2.3 模型计算用参数
2.4 耦合场分析的实现
2.5 温度场计算结果分析
2.5.1 进油阶段温度场计算结果分析
2.5.2 进水阶段温度场计算结果分析
2.6 应力、应变场计算结果分析
2.6.1 进油阶段应力、应变场结算结果分析
2.6.2 进水阶段应力、应变场计算结果分析
2.7 焦炭塔失效原因分析及防止措施
2.7.1 焦炭塔塔体鼓凸变形的原因
2.7.2 焦炭塔焊缝产生裂纹的原因
2.7.3 焦炭塔失效防止措施
3 复杂应力状态下低周热机械疲劳试验内容和结果
3.1 试验材料及试验设备
3.1.1 试验材料
3.1.2 试样形状和尺寸
3.1.3 试验设备
3.2 试验条件
3.2.1 载荷控制方式
3.2.2 循环波形的选择
3.2.3 试验环境及温度的选择和控制
3.3 试验内容和试验结果
3.3.1 单拉曲线的测定
3.3.2 循环应力、应变曲线
3.3.3 热机械疲劳总寿命试验
3.3.4 疲劳裂纹扩展试验
4 有限元数值分析和计算结果
4.1 引言
4.2 力学模型与材料常数
4.3 试样的有限元模型
4.3.1 圆柱形缺口试样的有限元模型
4.3.2 带预裂纹试样的有限元模型
4.4 圆柱缺口试样的计算结果
4.4.1 危险点的判别
4.4.2 危险点应力及应变的计算结果
4.5 带预裂纹试样的计算结果
5 复杂应力状态下热机械疲劳总寿命的评价
5.1 疲劳破坏的过程与寿命评价方法
5.1.1 疲劳破坏过程
5.1.2 疲劳寿命评价方法
5.2 复杂应力状态下疲劳寿命评价的基本思想和内容
5.2.1 基本思想
5.2.2 强度理论
5.2.3 Von Mises当量应力、应变的计算
5.3 当量应变范围评价复杂应力状态下热机械疲劳寿命的依据
5.4 材料热机械疲劳总寿命的当量应变范围评价
5.5 材料热机械疲劳总寿命的当量塑性应变能密度范围评价
5.6 焦炭塔剩余寿命预测
6 复杂应力状态下热机械疲劳裂纹扩展规律
6.1 疲劳裂纹扩展规律评价法概述
6.1.1 研究裂纹扩展规律的目的
6.1.2 疲劳裂纹扩展规律的研究内容
6.1.3 描述疲劳裂纹扩展规律的主要力学参数
6.2 J积分范围的计算方法
6.2.1 J积分的定义及其求法
6.2.2 在ANSYS中计算轴对称裂纹的J积分
6.3 热机械疲劳裂纹扩展规律
7 结论
7.1 主要工作
7.2 焦炭塔失效防止措施
7.3 焦炭塔剩余寿命预测
7.4 裂纹扩展寿命预测
7.5 后续工作
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
发布时间: 2008-06-30
参考文献
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