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金晶, 邢誉峰, 廖选平, 张海瑞, 唐念华. 瞬态传热问题的微分求积和精细积分求解方法[J]. 北京航空航天大学学报, ):
JIN Jing, XING Yufeng, LIAO Xuanping, ZHANG Hairui, TANG Nianhua. Application of differential quadrature and precise integration methods in analysis of transient heat transfer[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, ): .
瞬态传热问题的微分求积和精细积分求解方法
廖选平1,3,
张海瑞1,3,
唐念华1&&&&
1. 中国运载火箭技术研究院, 北京 100076;
2. 北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100191;
3. 国防科学技术大学 航天科学与工程学院, 长沙 410073
作者简介: 金晶(1986-),女,湖北随州人,硕士研究生,
通讯作者: 邢誉峰(1964-),男,吉林农安人,教授,xingyf@,主要研究方向为结构动力学.
摘要：给出了瞬态传热问题的高效高精度求解方法,该方法分别用微分求积法(DQM)和精细积分法(PIM)离散空间域和时间域.微分求积方法除了精度高、效率高之外,处理复杂边界条件的灵活性也优于有限元法(FEM).用精细积分法处理一阶瞬态传热微分控制方程,不需要增加额外自由度,还可以达到计算机精度.给出了隔热结构4种边界条件下的数值结果.并就上表面恒温、其他面绝热边界条件计算结果与有限元分析结果进行了对比,算例分析表明,采用微分求积和精细积分法布置少量的节点就可以达到较高的精度.
微分求积法(DQM)&&&&
精细积分法(PIM)&&&&
瞬态传热问题&&&&
有限元法(FEM)&&&&
时间域&&&&
空间域&&&&
Application of differential quadrature and precise integration methods in analysis of transient heat transfer
JIN Jing1,
XING Yufeng2 ,
LIAO Xuanping1,3,
ZHANG Hairui1,3,
TANG Nianhua1 &&&&
1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China;
2. School of Aeronautic Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;
3. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Abstract:An accurate and efficient solution method of the governing equation of transient heat transfer was proposed based on the differential quadrature method (DQM) and precise integration method (PIM). DQM was applied to discretize spatial domain while PIM to temporal domain. It has been shown that DQM, with high accuracy and efficiency, also had higher flexibility than the finite element method (FEM) while dealing with complicated boundary conditions. The transient heat transfer is governed by the first-order differential equation with respect to time,while applying precise integration method in temporal domain,the same accuracy as computer can be achieved without increasing additional degrees of freedom. Numerical results were given for four kinds of boundary conditions of thermal protection structure. Then, the numerical result of the structure with constant temperature on top surface and heat insulation on other surfaces was compared with the result using the FEM. The numerical examples analysis shows that the higher precision can be achieved with fewer nodes by DQM and PIM.
Key words:
differential quadrature method (DQM)&&&&
precise integration method (PIM)&&&&
transient heat transfer problem&&&&
finite element method (FEM)&&&&
temporal domain&&&&
spatial domain&&&&
微分求积法是在近年里发展起来,并正在进一步发展的数值计算方法.它是一种高效率、高精度的微分方程的求解方法,计算工作量少,计算结果可靠,已用于运输[]、结构力学[, , , , , , ]、流体力学[, ]和化工[, ]等多个领域.精细积分作为时域的求解方法,具有解析性好、精度高、计算稳定等特点.随着航空航天技术发展,高超声速技术已成为21世纪航空航天领域关注的热点问题,而气动加热是高超声速技术发展的重要障碍,也是飞行器关键技术问题之一,飞行器表面温度是非常复杂的,如何能简单、准确、高效地确定飞行器表面温度传播特性被人们急切关注.Tseng等[]曾提出针对未知量为导热系数、边界温度和边界热流两两组合时的反演算法,但只有少量的数值试验.薛齐文等[]提出了应用共轭梯度技术求解热传导边界条件反问题的一种数值模式.还有通过试验的方法根据布置在容器外壁或内部数个热电偶的温度测量值推算出内壁处温度和热流密度,如在稳态导热情况下采用外插法,但是对于瞬态导热问题该方法将会引起较大的误差[].张驰等[]提出了无网格边界元法求解有内热源的瞬态传热问题,研究了一种无需域内离散划分网格的纯边界元法,但该方法仅适用于二维问题,在三维域的应用有待进一步探讨研究.
本文给出一种求解瞬态传热问题的高效高精度方法,即采用微分求积法离散空间域,精细积分方法离散时间域,具有解析性好、精度高、计算稳定和能高效处理各种复杂边界条件的特性.
1 微分求积法
微分求积法(Differential Quadrature Method,DQM)是一种全域逼近的数值方法,它的基本思想是以全域内各节点函数值的加权和来逼近函数偏导数在某一节点处的值.它与有限元法(Finite Element Method,FEM)有显著的区别:FEM通常采用低阶多项式逼近单元内的函数值,而DQM则是在全域内采用高阶多项式逼近域内某一连续函数;FEM是在单元内逼近函数值,由近似函数求得导数,而DQM综合全域内各节点的信息来直接逼近函数偏导数在某一点的值.因此,DQM用较少网格点就可以获得高的数值精度.
根据微分求积方法,函数f(x)在xi点的k阶导数可近似表示为
式中:N为x方向的结点数;A(k)ij为根据Lagrange函数求得的对应于k阶导数的权系数,A(1)ij可由下面显式计算[]:
而高阶系数则由递推公式计算[]:
式中:i,j=1,2,…,N,i≠j;2≤k≤N-1,而
式中:1≤k≤N-1.高维问题的处理与之类似[].
用微分求积法求解问题,必须选取合理分布的节点.均匀分布是最早被采用也是最简单的节点分布形式.但计算表明,非均匀节点具有更快的收敛速度和更高的求解精度.边界条件处理也是微分求积法中关键问题之一.对于二阶微分方程的求解每个端点只需一个条件,引入边界条件时直接将边界节点坐标代入边界条件即可.对于二阶以上高阶微分方程,每个端点的边界条件不止一个,边界节点却只有一个,因此边界条件的处理不能简单进行.解决这一问题的方法有多种,常见的有方程替代法、变量缩聚法、权系数矩阵修正法和边界自由度增添法.用这些方法可以处理复杂的边界条件.
2 精细积分法
精细积分法是计算指数矩阵的一种高精度方法,其要点是利用指数函数加法定理计算指数矩阵的增量.考虑指数矩阵:
式中: B 为矩阵;h为时间步长;m为任意正整数,通常选取m=2N(N为正整数).令τ=h/m,此时e B h 已经接近单位矩阵 I ,于是可以写成:
由于τ是很小的量,所以式5(a)展开到第5项其精度就足够,其中 T τ相当于 T 的增量矩阵,为小量矩阵.因此计算时,要单独存储 T τ,否则 T τ相对于 I 是很小的数,在计算机舍入计算时其精度丧失殆尽.在计算 T 的时候,先把式(4)进行分解:
一直分解,共N次.
最后计算 T ,即
这样计算的 T 具有计算机的精度[],这里不再给出具体数值结果.
3 瞬态传热问题
考虑隔热结构的热传导问题,如图 1所示.瞬态温度场U是时间和空间的函数,非稳态导热微分方程为
式中：β为传热系数；x、y、z为空间坐标；t为时间.
图 1 隔热材料结构图Fig. 1 Thermal protection material structure
式中:U0为初始温度.
用分离变量法把温度函数空间域分离,即
用微分求积法则离散方程式(9)得
式中:L、M、N分别为x、y、z方向划分的节点数;i、j、k为节点编号,1≤i≤L,1≤j≤M,1≤k≤N;A(2)、B(2)、C(2)分别为关于x、y、z方向二阶导数权系数矩阵.
在求解具体问题时,要用边界条件方程替换方程式(13)中相应的方程.本文选取使切比雪夫多项式等于零的点为节点.离散化的边界条件为
式中：C1jk、C2jk、C3ik、C4ik、C5ij、C6ij为各种可能边界条件.若边界条件是二阶或高阶,其处理方式类似于式(14).
用向量和矩阵可以把域内平衡方程和边界条件方程写成
式中:$\overline {\rm{U}} $为全部结点温度向量;$\overline {{{\rm{U}}_I}} $为域内结点温度向量;$\widetilde {\rm{H}}$和$\widetilde {\rm{D}}$为由权系数组成的矩阵;F为边界条件.为了便于处理边界条件,把方程式(15)改写成
式中:F=[C1 C2 C3 C4 C5 C6]T;$\overline {
{U}} $B为边界结点温度向量；$\widetilde {{{\rm{H}}_1}}$、$\widetilde {{{\rm{H}}_2}}$、$\widetilde {{{\rm{D}}_1}}$、$\widetilde {{{\rm{D}}_2}}$为由权系数组成的矩阵.边界条件F可以与时间相关也可以与时间无关.设
式中：F0为时间无关的边界条件向量；F1为时间有关的边界条件向量.
若边界条件都是时间无关向量,则式(17)为
从式(16)消去$\overline {
{U}} $ B,再用式(17)替换边界条件F,整理得
精细积分方法直接求解的方程是一阶微分方程,方程式(19)仅包含时间的一阶微分,因此不需要降阶,即不需要增加自由度,这也是本文选择精细积分方法的根据.
对方程式(19),根据李级数方法得到其解析解为
进而可以得到时间递推关系式:
计算式(21)的关键问题就是其中指数矩阵e G h 的计算,其计算方法可参见第2节内容.进而由递推公式(21),可求得域内各节点温度随时间的变化值.
4 数值算例
下面用本文方法分析某隔热材料的瞬态温度场.结构尺寸为0.2×0.2×0.025m3,热扩散系数2.-7m2/s.
4.1 算 例 1
采用三维模型,上表面1200℃恒温,下表面和四周面绝热状态,初始温度为25℃.分别采用微分求积(数值解)和NASTRAN计算它的温度响应.微分求积法中布置节点4×4×10.NASTRAN中划分20×20×10个八节点体单元.图 2给出了两种方法求解的结构下表面一点的温度响应图.图 3给出了两种方法求解的结构中间面一点的温度响应图.图 4给出了NASTRAN计算的982s状态结构的温度响应图.
由图 2~图 4可知:微分求积法计算得到的温度响应曲线和有限元计算结果吻合得很好,可见微分求积和精细积分结合的数值方法能高效高精度地求解瞬态传热问题,布置少量的节点就达到了比较高的精度.
图 2 结构下表面一点的温度响应Fig. 2 Temperature response of one point at bottom of structure
图 3 结构中间面一点的温度响应Fig. 3 Temperature response of one point in
the middle of structure
图 4 NASTRAN计算的第982s结构温度响应Fig. 4 Temperature response of structure at 982 s by NASTRAN
4.2 算 例 2
考虑如下几种边界条件组合,其中环境温度为25℃.
第1类边界条件(Case1):上表面为1200℃恒温,其他面绝热.此时在式(14)中,C1jk=0,C2jk=0,C3ik=0,C4ik=0,C5ij=0,C6ij=1200.
第2类边界条件(Case2):上表面为1200℃恒温,其他面热交换,对流热交换系数为5000W/m2.C1jk=5000,C2jk=5000,C3ik=5000,C4ik=5000,C5ij=5000,C6ij=1200.
第3类边界条件(Case3):上表面温度变化规律为
其他边界绝热,C1jk=0,C2jk=0,C3ik=0,C4ik=0,C5ij=0.
第4类边界条件(Case4):上表面温度变化规律为
其他边界绝热,C1jk=0,C2jk=0,C3ik=0,C4ik=0,C5ij=0.
由此可以看出,针对不同的边界条件只需要改变相应的参数即可,求解格式是统一的.微分求积法一方面把二阶或高阶的边界条件并入加权系数中,另一方面把边界条件离散到各个空间点上,大大地简化了边界条件的处理.
图 5给出了3种不同初始温度下,图 1模型中上下表面中点处温度曲线图.由图 5可知前100s 时最下表面温度几乎没有变化,等于初始温度,主要是因为热量是从上表面传递过来的,它的传递是依赖于时间的,在最开始时热量只能传递上层位置;随着时间增长,热量传递加快,下表面温度也增加得越来越快,当达到一定时刻时,上下表面温差小到一定值时,热量传递趋于稳定,曲线又趋于平缓.
图 5 3种不同初始温度下的温度响应Fig. 5 Temperature response with three different
initial temperatures
图 6给出绝热和热交换两种边界条件下下表面中点温度响应曲线.由图 6可知无论在何种边界下,开始 时刻温度变化缓慢,随着时间增长,温度迅速增加直至最后趋于平稳状态.但对于热交换边界条件,最开始时刻,下表面温度反而会下降,比初始时刻温度还低,之后逐渐增加.由图可知在任意时刻,绝热状态下温度总是比热交换条件高.因而在分析温度响应时正确地确定边界条件是至关重要的.
图 6 不同边界条件下结构下表面一点温度响应Fig. 6 Temperature response of one point at bottom of structure with different boundary conditions
本文综合利用精细积分法和微分求积法求解了瞬态温度场问题,该做法的优点是充分利用了两种方法的高效高精度特点.
1) 精细积分法对步长的依赖性很小,在有效位数范围内其结果和精确解一致，并且没有因为对方程降阶而增加自由度数的问题.
2) 微分求积法不依赖泛函和变分原理,具有数学原理简单、计算精度高、计算量和内存需求少等优点,能以较少的网格点和较小的计算量求得高精度的数值解.
3) 在处理复杂边界条件时,比如C1类边界条件,微分求积法具有普适性和灵活性.微分求积法具有精度高、效率高等特点,这是高阶方法的优点.
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金晶, 邢誉峰, 廖选平, 张海瑞, 唐念华
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作者单位：
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对某电厂50MW汽轮机转子裂纹车削前后不同运行条件下的温度场、热应力场和机械应力进行了有限元分析计算.计算分析结果表明:开裂部位位于转子最大应力发生处,车削后,转子最大应力有所降低,弹性槽尺寸的变化对应力集中系数有很大影响,计算结果对转子裂纹车削加工方案以及安全性评定提供了技术数据.
本文给出了考虑辐射和导热耦合换热情况下复杂几何结构光学透镜稳、瞬态热特性计算方法,并加以验证,结果表明,本文建立适体坐标系下辐射与导热耦合换热计算方法精度较好。应用本文方法对两端为球缺中间为圆柱的玻璃透镜内的辐射与导热耦合换热过程进行了数值模拟.
本文进行了内燃机燃烧室耦合系统传热三维数值分析的研究，并以汽油机燃烧室为例进行了应用研究。发展了基于润滑油膜为一维热阻的燃烧室耦合系统三维瞬态传热和过渡工况传热的有限元数值分析模型。以LJ377MV汽油机为研究对象，对燃烧室耦合系统三维瞬态传热进行了计算与分析，得出了瞬态传热过程中燃烧室耦合系统每一瞬时的三维温度场，燃烧室耦合系统三维周期性瞬态温度场计算结果显示出，LJ377MV汽油机活塞顶面循环瞬态温度场的波动幅度以及顶面上各点的稳态温度都有较大的影响。文中还进行了燃烧室耦合系统过渡工况下三维非稳定传热的计算，结果显示，发动机启动的过渡工况中，零件系统（特别是燃气侧）要经历较剧烈的温度变化历程。该温度历程会产生很大的准静态热应力。根据耦合系统整体温度刚度矩阵为稀疏矩阵的特点，采用一种基于链表数据结构的稀疏矩阵算法来形成整体刚度矩阵，通过沿对角线选主元的GAUSS消元法，实现了高速求解线性方程组，从而大大提高了计算效率。改善了发动机燃烧室耦合系统三维传热计算程序，模拟得到的LJ377MV汽油机周期性瞬态以及过渡工况温度场，对该型汽油机的优化与改进具有重要的指导意义。
该文的研究内容是自二十世纪七十年代开始在国际上形成的一个沸腾传热研究领域的热点——瞬态沸腾现象的研究.作者在综合分析前人的实验工作的基础上,建立了以表面热电偶、薄膜热电偶为传感器的瞬态沸腾实验台.利用自行开发的数据采集程序系统对瞬态沸腾现象进行监控和温度信号的测量;并对瞬态试验前的稳态温度场进行了数值模拟,通过与稳态试验数值的比较,来验证实验件的温度场分布.利用数学方法——小波理论成功分离了快速数据采集系统中温度信号和噪音信号,得到瞬态沸腾的温度变化曲线;并通过建立数学模型、利用实验所得的温度变化曲线,求解出瞬态热流密度.我们使用饱和水作为工质,在不同的液位下做了瞬态沸腾的对比试验.通过试验,我们得出了一些有规律的结论,并得到了验证.
本文建立了反推法求解汽包瞬态温度场的数学模型，利用fortran语言编制了温度场计算程序。为了验证程序的正确性，利用ansys软件对某锅炉冷态启动过程汽包温度场进行了计算，将ansys计算得到的汽包外壁温度作为已知条件，用本文编制的程序计算出了汽包壁的温度分布，并将两者的计算结果进行比较，结果表明两者吻合很好。根据asme标准编制了汽包应力计算和寿命分析程序。利用本文开发的程序，依据某电厂300mw锅炉启动过程的汽包外壁温度数据，对汽包进行了温度场计算、应力计算和寿命分析。并提出了合理控制汽包壁温差的建议。本文开发的程序为实现汽包寿命在线监测打下了基础。
连铸由于其生产成本低、工作效率高、操作灵活、高质量等优点在全世界的钢铁行业中都得到了迅速地发展。近几年，高效连铸成为连铸发展的一个主要趋势。温度在铸坯凝固传热过程中备受关注，它关系着铸坯的质量和产量，决定高效连铸能否顺利进行。
本文根据传热学基本原理和有限单元法，对连铸板坯的二维温度场进行了数值模拟。运用三角形和四边形混合网格对所研究的区域进行离散，采用加权余量法推导出二维稳态温度场的变分方程，并根据内部单元，第一、二、三类单元的不同特点推导有限单元数值模拟的控制方程，运用有限差分法对时间进行离散，完成对瞬时温度场的数值模拟。
本文运用FORTRAN语言作为编程工具，得到在不同时刻铸坯横截面的温度场分布及铸坯凝固传热过程中拉速、过热度、冷却强度不同的条件下，铸坯内的温度场及沿铸机方向上铸坯的表面温度和铸坯厚度的变化规律。
通过对铸坯温度场的模拟，分析了不同操作条件下铸坯沿铸机方向上温度的变化情况，可以看到在连铸坯的凝固传热过程中，拉速和二冷区的冷却强度是控制凝固速度及铸坯质量的主要因素，过热度对温度场和坯壳生长的影响相对于前两者要小的多。所以在实际生产过程中，为了提高产量，保证质量，就要求拉速和二冷区冷却强度达到合理的匹配。
汽轮机胀差是影响汽轮机启动速度及机组运行安全的重要因素之一。本文首次将弹性理论中功的互等定理应用于汽轮机胀差在线监测，提出了计算汽轮机转子以及汽缸轴向位移的新方法并确定了汽轮机各级胀差随时间的变化规律。结合研究对象瞬态温度场的特点，构造出用于瞬态温度场计算的新型插值函数，给出了变步长的两点差分公式，提高了瞬态温度场的求解效率和精度。以某电厂国产300mw机组一次冷启动数据为基础，运用该方法得到了汽轮机高压转子以及汽缸随时间变化的轴向位移，计算结果真实地反映了汽轮机动静叶间隙的变化。该方法理论严谨，计算精度高，运行速度快，对于实现汽轮机胀差在线监测具有重要意义。
随着电力工业的快速发展，电网峰谷差也不断增大，大容量火电机组参与调峰任务的要求也日益紧迫，在机组启停过程中，锅炉汽包承受交变的机械应力和热应力，频繁交变的应力将加大锅炉汽包的低周疲劳损伤，缩短其使用寿命。因此通过计算冷态启动不同温升率锅炉汽包瞬态温度场和瞬态应力场，并在此基础上对锅炉汽包的寿命和冷态启动过程的燃料的损失量进行研究，对电厂锅炉的安全、经济运行具有重要意义。本文以某电厂1025t/h锅炉汽包作为研究对象，通过有限元理论和实际经验对锅炉汽包结构进行简化，在有限元分析软件ansys前处理器中建立锅炉汽包的三维实体模型，采用映射网格建立了锅炉汽包的有限元模型，并对关键部位纵向截面内转角处进行细化，通过施加了约束条件、边界条件和初始条件计算了冷态启动不同温升率该锅炉汽包的瞬态温度场、瞬态热应力、瞬态机械应力和瞬态总应力，指出了热应力的最大值的位置，机械应力与压力成正比关系，通过理论公式确定最危险点修正后的循环应力幅，查bs5500设计疲劳曲线确定循环次数，指出了影响汽包寿命的主要因素。在计算出不同温升率的寿命损耗的基础上，建立冷态启动的燃料损失量的计算公式，通过理论计算出不同温升率的损失量，经过比较确定了冷态启动的最佳温升率，并进一步得出了温升率—温差、温升率—寿命、应力—寿命、温升率—损失量之间的关系，同时通过对某电厂一台1025t/h锅炉汽包一次冷态启动的寿命损耗和燃料损失量的计算，对优化启动方案的制定提出了合理化建议。为机组安全、经济运行提供了有效依据，同时也为锅炉汽包在其他工况下的寿命损耗的研究提供了一定的参考。关键词：热应力；低周疲劳；寿命损耗；燃料损失量；温升率；循环次数
输送辊作为热连轧带坯传送的重要部件，其用量大，消耗量也大。保温罩内输送辊失效的主要原因是由于输送辊在传递带坯过程中温度变化，由温升所产生的热膨胀使辊端的轴承卡死。为精确预测输送辊工作过程中的温度变化情况，改善其使用性能，讨论及控制输送辊内部的温度对于辊子正常运行是很有必要的。
本文以某热轧厂带钢厂粗轧机组与精轧机组之间的中间坯输送辊为研究对象，考虑热连轧带坯与输送辊辐射传热、接触热传导及空气冷却等动态边界条件，采用有限单元法，建立了热连轧输送辊瞬态温度场的二维模型，分析计算了在保温罩内和保温罩外两种工况下输送辊的温度分布情况，该模型能实现输送辊温度场的动态分析和精确计算，预测输送带钢中间坯时以及输送后空冷的输送辊瞬态温度场，获得输送辊达到热平衡的时间。
在输送辊二维模型的基础上，对输送辊建立三维整体模型进行温度场分析，得到辊身达到热平衡时输送辊整体的温度场，然后对安装轴承的辊端(固定端)建立子模型，细化轴承部分的单元，将输送辊三维整体模型热分析计算结果作为边界约束条件施加到子模型上，得到辊端及轴承部分的温度变化状况，通过仿真结果得到了合理的热流密度值，从而确定了辊颈喷水冷却的水量和辊端及轴承的周期冷却时间。
该论文共分为八章,具体包括以下内容:第1章首先回顾了内燃机工程中传热与热负荷研究的发展和现状,进而以内燃机受热零部件热负荷的数值模拟研究的发展和现状进行了归纳和展望.然后简要介绍了内燃机的拉缸故障,提出了本文研究的主要内容,并指出了研究的目的及意义.第2章阐述了热传导的偏微分子方程和热弹性理论的基本方程及用有限元法进行的求解.充分讨论了周期性瞬态温度场的扰动、渗透的机理和实质,以几种不同的实例考察了热传播的速度以及温度波的渗透和衰减情况.第3章系统地分析了4135柴油机在考虑摩热的正常工况下活塞、缸套和活塞环各部分二维瞬态温度场.建立了活塞组、缸套三维耦合系统循环瞬态传热仿真模型.第4章第一次使用虚拟故障仿真的思想对4135水冷柴油机进行了虚拟基断水故障的仿真.得出了虚拟其水故障仿真的瞬态温度曲线结果,并对其进行了分析和探讨;同时也用虚拟仿真的思想对180型柴油机内油冷活塞进行了虚拟其热负荷故障的数值仿真,得出了其在断油情况下超负荷运转情况下的分析结果.并分析了4135柴油机在超负荷运转情况下活塞的热变形和热应力.第5章首次提出了热动态仿真的概念,第一次大胆假设了活塞组、缸套擦伤、拉缸时的分析理论.第6章实现了4135柴油机二维、三维循环瞬态温度场的数值仿真的动态演示,使我们能生动、真观地观看三维瞬态温度场、热变形的模拟动画演示和拉缸故障的发生、演变过程.第7章在广泛收集资料的前提下,运用人工智能语言,初步建了柴油机拉缸故障诊断分析型专家系统,为今后进一步扩大、完善该系统打下了基础.第8章最后,对全文工作进行了总结,并对今后的研究工作进行了展望.
为了解决汽轮机动静间隙的碰磨问题,需要计算汽缸和转子的温度场.该文在介绍和了解汽轮机胀差产生现象的前提下,着手了解研究汽轮机转子的热力学特点和轴向位移.根据传热学的基本理论建立了初始温度分布已知,环境温度不断变化时,圆柱体温度场的理论计算近似方法,作为转子温度场计算的理论基础,建立了温度计算模型,同时通过使用ansys有限元分析软件对建立的数学模型进行了校验,达到了比较满意的结果.这为今后将这种理论的计算思路拓展到转子温度场以及热膨胀的理论计算提供了基础.
气缸盖是内燃机中结构最复杂的构件之一，内燃机在运行过程当中，常常发生气缸盖鼻梁区部位产生疲劳裂纹失效引起内燃机不能工作的问题。本文研究的目的是对气缸盖进行三维有限元分析，分析裂纹产生的机理，从而找到能够解决“鼻梁区”疲劳的方案，并对气缸盖的低周疲劳寿命进行计算。
本文首先用三维造型软件pro/engineer wildfire 2.0建立4105q柴油机气缸盖其中一缸的三维几何模型，然后将模型导入到有限元分析软件ansys 9.0中，采用不同的网格密度建立有限元模型。采用第三类传热边界条件，对气缸盖的稳态温度场和应力场分布进行了计算，通过和同类机型的柴油机z6110的温度场实测数据的比较，可知计算结果是可信的。同时考察了网格密度对计算精度的影响。结果表明：在温度场计算中，网格密度对温度计算的精度几乎没有影响；在应力场计算中，计算结果随网格密度的变化表现出一定的稳定性。通过对气缸盖停机自然冷却过程中的瞬态温度分布和残余应力分布进行计算，可知“起动-停车”所产生的交变应力是气缸盖破坏的主要原因。
针对“鼻梁区”产生疲劳破坏的原因，提出了几种鼻梁区的结构改进方案。采用和原方案相同的边界条件，对结构改进方案的稳态、瞬态温度场、应力场进行了计算。通过和原方案进行比较，选出了三种能够减小“鼻梁区”应力集中的方案。最后，根据计算得到的鼻梁区应变数据，应用断裂力学的理论，采用局部应力应变法，计算了原方案和三种改进方案气缸盖的低周疲劳寿命，并从三种方案中选出了一种最佳方案。通过计算可知，改进方案能够有效的提高气缸盖的使用寿命。
通过本论文研究，得到了气缸盖上稳态、瞬态温度场和应力场的分布规律，并证明了交变应力是气缸盖鼻梁区疲劳破坏的主要原因，并对低周疲劳寿命进行了简要计算。本文为进一步优化气缸盖结构，研究气缸盖的疲劳寿命打下了很好的基础。
该文利用有限元计算分析软件,计算了山东邹县发电厂300mw机电在冷态、温态、热态启动及滑参数停机过程中汽轮机高压、中压转子的瞬态温度场和热应力场,并对计算结果进行了详细分析;对影响汽轮机转子热应力的因素进行计算分析,从而了解各种因素对转子热应力影响的程度,对今后机组运行过程中如何控制转子热应力有理论指导意义;对转子无裂纹疲劳寿命损耗进行了理论计算分析;采用了一种基于"辛几何"理论的精细数值方法计算转子温度场,将转子温度计算结果代入热应力基本方程计算得到转子热应力,应用雨流法实现转子寿命损耗监测,从而完成了"汽轮机转子热应力和寿命在线监测系统",并对该系统进行简介.该系统成功地应用于山东邹县发电厂的300mw机组,通过使用该系统,进一步从理论上对指导该机组合理运行操作,优化机组运行方式,缩短机组启停时间,在保证安全、寿命损耗不超限的情况下经济运行.
共45条数据
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