基于梁-条模型的凝汽器管板强度设计方法,该文是关于强度设计相关硕士学位毕业论文范文和基于梁方面论文如何怎么撰写.
强度设计论文参考文献：
张 宇,李 军
（太原重工股份有限公司技术中心,山西 太原 030024）
摘 要：利用美国热交换学会标准推荐的“梁-条”结构力学模型,对管板进行了受力分析,借助结构力学求解器软件,对某型号凝汽器管板进行了强度计算,结果表明该方法合理有效,精度较高,为凝汽器开发设计提供了技术依据.
关键词：凝汽器；管板；强度；梁-条； Solver
中图分类号：TK264.1+1文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.05.114
凝汽器是电站汽轮机的主要辅助设备之一.管板是由大量冷却管支撑的多孔板,冷却管起弹性基础作用.管板作为凝汽器的关键部件,其强度和刚度直接关系到凝汽器冷却管与管板间胀焊连接的严密性,直接影响整个设备的技术性能和指标[1].因此,对管板进行受力分析及强度计算十分必要.
表面式凝汽器管板结构和受力情况都非常复杂,随着循环水泵扬程的提高,原有经验方法已无法满足管板强度设计的需要.目前,国外已有许多计算凝汽器管板的近似方法,多以试验为基础,或者采用半经验的方法.美国热交换学会（Heat Exchange Institute,HEI）标准对管板强度研究的历史、现状做了详细介绍,并首次提出利用计算机及有限元理论的“梁-条”结构力学模型法进行管板的强度计算[2].笔者使用该方法,并借助结构力学求解器（Structural Mechanics Solver, Solver）软件,对凝汽器的管板进行了强度计算,并对计算结果进行了分析.
1 管板的受力分析
图1为管板与管束受力情况示意图.施加在管板上的作用力主要是通过管束承受的.管板朝向水室的一侧受到水的压力,管板周边还受到水室的拉伸力和弯矩.其中弯矩与管板、壳体、水室的连接方式有关.通常不考虑壳体对管板的弯矩作用.在这些载荷的作用下,影响管板强度设计的主要因素是管板的最大弯曲应力和管子的最大负载,其中管板的最大弯曲应力是由管板的最大弯矩引起的,管子的最大负载是由管板的最大位移引起的,该最大位移就发生在最外圈管子处.
2梁-条结构力学模型
当冷却管只考虑轴向刚度而忽略其弯曲刚度和扭转刚度时,管子的作用相当于具有拉压刚度的弹性杆件（或称弹性支承）.如果避开直接考虑水室并且把管板分成适当数目的窄条,同时把这些窄条及其支承冷却管看作弹性基础上的梁,便可得到基于梁-条模型的管板强度设计近似解法.
笔者根据把重复出现一次冷却管排列形式的宽度选定为梁-条宽度的原则,选取梁-条进行分析.图2为梁-条示意图.
由于水室施加在管板上的力和力矩主要由管束外缘的管子承担,远离边缘的管板弯曲应力和管子负载会迅速下降,因而用于分析的梁-条长度并不是一个重要因素.在该例中,管排数为15,梁-条宽度W 等于 95.25 mm,管板厚度（布管节距）S 等于 31.75 mm.根据布管参数及梁-条的受力情况,得到梁-条力学模型,见图3.
该模型的创建和求解借助 Solver软件实现. Solver软件可解决二维平面结构（体系）的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学所涉及的一系列问题,全部采用精确算法给出解答[3].该模型的创建和求解通过在 Solver软件中输入结点、单元、单元载荷、结点载荷等参数而逐步实施.图4为 Solver软件操作界面.
3 计算过程
计算求解的任务,就是先确定图3中所有的载荷条件和约束条件,然后求解整个结构各处的应力、位移,计算出危险截面应力,并与许用值进行比较.
3.1 关键参数计算
3.1.1 载荷
凝汽器水侧设计压力qd 等于 0.276 MPa,水压试验压力qt为设计压力qd的1.5倍,即qt 等于 1.5qd 等于
0.414 MPa.梁-条单位宽度上载荷为
V 等于 qt·A/B 等于 175 N/mm .（1）
式中：A为管板水室横截面积；B为水室周长.
梁-条端部载荷为
P 等于 VW 等于 16 670 N .（2）
式中：W为梁-条宽度,95.25 mm.
非开孔区均布载荷为
W1 等于 qt·W 等于 84.6 N/mm .（3）
开孔区均布载荷为
W2 等于 ψ·W1 等于 70.86 N/mm .（4）
式中：ψ为考虑到因开孔而使梁-条承受水压面积减小的折减系数.在该例中,ψ的计算公式为
3.1.4 梁-条的端部弯矩
梁-条的端部弯矩作用效果是限制端部转动,其大小与法兰水室和壳体结构有直接关系.例如,焊有加强筋的法兰能提供相当大的约束力或边缘刚性,而直接焊到管板上的没有焊加强筋的无法兰水室则只能提供很小的约束力[5].在端部限制其转角以实现100%边缘刚性条件,注意不是简单地处理为固定端,而是竖向位移自由.图5为100%边缘刚性条件下的梁-条力学模型.
此时端部弯矩的求解归结为结构力学中的超
静定问题[6],静不定次数为14.用 Solver软件
求 得100%边缘刚性条件下的梁-条端部弯矩为
1 429 958.54 N·mm.然而实际端部弯矩与假设情况不符,需要对实际变形的约束条件进行修正.在该例中为法兰连接,假定水室给予梁-条50%的边缘刚性,故实际计算时端部弯矩为714 979.27 N·mm.
3.2 使用 Solver软件求解
3.2.1 输出弯矩图和位移曲线
将求解时所有需要输入 Solver的已知参数进行汇总如下：非开孔段长度e等于50.8 mm；各跨的Scos30°等于4.897 mm；梁-条总长度Lb等于138.955 mm；作用在梁条上的端部负荷P等于16 668.75 N；非开孔区均布负荷W1等于39.434 N/mm；开孔区均布负荷W2等于 27.020 N/mm；弹性常数ki等于5 765 N/mm；非开孔区抗拉强度EA 等于 342 298 kN；开孔区抗拉强度E*A 等于 155 713 kN；非开孔区弯曲刚度EI 等于 28 755 Pa·m；开孔区弯曲刚度E*I 等于 13 801 Pa·m；100%边缘刚性条件下的端部弯矩M 等于 1 429 958.54 N·mm；实际计算的端部弯矩M´ 等于 714 979.27 N·mm.
使用 Solver软件求解,输出弯矩图和位移曲线,分别见图6和图7.
3.2.2 确定危险截面应力
从图6和图7可以看出,管板非开孔区域的最大弯矩发生在梁-条端部A点,开孔区的最大弯矩发生在C点,管子最大位移发生在B点. Solver软件输出结果：A点处弯矩MA 等于 714 979.27 N·mm,C点处弯矩MC 等于529 295.73 N·mm,冷却管最大位移为δB 等于0.844 5 mm.
管板非开孔区最大弯曲应力为
式中：ki为冷却管弹性常数； δB为冷却管最大位移.
将以上结果与管板许用应力σ和冷却管最大允许负荷F比较可得
σA＜σ 等于 137.9 MPa .（14）
σB＜σ 等于 137.9 MPa .（15）
Fi＜F 等于 12 178 N .（16）
式中：σ为开孔区弯曲应力许用值；F为冷却管负荷许用值.由此可见,管板能够满足强度要求.
4总结
管板可划分为一条或若干条梁-条模型来进行分析,选取其危险点作为设计管板厚度的理论依据.用梁-条模型法对某型号凝汽器的管板进行计算,从结果可知,该管板的设计满足强度要求.计算中借助 Solver软件,省去了手算或自编程的繁琐,且具有较高的精度.计算结果与HEI标准中的数据保持一致,表明该方法合理有效,为后续凝汽器设计提供了技术依据.
结论,上文是一篇大学硕士与强度设计本科强度设计毕业论文开题报告范文和相关优秀学术职称论文参考文献资料，关于免费教你怎么写基于梁方面论文范文.
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