有限元法分析螺纹槽管的静载强度

    0　引　言

    船用蒸汽动力装置的小型化是动力装置的发展方向之一,在蒸汽动力装置中,换热设备的数量较多,实现其小型化对整个动力装置的小型化起着很重要的作用。用螺纹槽管代替光滑管作为冷却管,是实现换热设备小型化的重要手段[1]。

    船用换热设备在运行时冷却管的外载荷主要有管内冷却水的压力、自重、管内水重、高速排汽对其冲击作用所产生的横向力、海水内压、管壳之间的温差所产生的热应力等。螺纹槽管是在常温下由光滑管用轧轮碾压制成,在工作时螺纹槽处一定存在应力集中,其静载强度能否满足设计要求是必须关注的问题之一,有必要对其进行具体的分析计算。

    1　螺纹槽管的弯曲应力

    1.1　计算简图

    考虑面式冷凝器,取支承板之间的一段钛螺纹槽冷却管为研究对象,计算简图如图1所示。其跨距用考虑汽流激振的常用的Sebald J.F.公式[2]确定,两端可简化为铰支承并且水平放置。

    分布载荷q由三部分组成:

    q = q₁+ q₂+ q₃        (1)

其中:q₁为自重集度、q₂为重力集度、q₃为横向高速汽流所产生的横向载荷集度。

    根据计算,最大跨距l =1.06 m、q1=1.536N/m、q₂=1.546 N/m、q₃=9.92 N/m、当量外径d_c1=15.50 mm、当量内径d_C2=14.00 mm,应用弯曲应力公式:

    求得危险截面的最大工作应力σmax=14.93 MPa。

    1.2　用有限元法计算最大应力

    加工前光滑管外径d1=16.06 mm,内径d2=14.50 mm,根据热工试验要求,加工后螺纹槽管的形状如图2所示,其螺距h =6 mm,螺纹深e=0.39 mm,槽底曲率半径r =0.20 mm。对螺纹槽管实际结构进行离散非常繁琐,而且也难保证与实际尺寸相符。在保证计算精度和工程应用的前提下,考虑到螺距很小,将螺纹槽管上的螺纹槽简化为相互平行的圆环槽,其深度和槽底曲率半径与螺纹槽一样,圆环槽之间的距离等于螺距,如图3所示。

    具体计算时,先对螺纹槽管的各尺寸用25Z型读数显微镜进行测量,并把螺纹槽管当量成内外径比加工前的光滑管稍小的光滑管,应用梁的弯理论求出危险截面的分布应力,然后再在危险截面附近取出一小段(长度为一个螺距且中间含有一个圆环槽),用有限元法对螺纹槽处的应力分布进行数值计算分析。为计算螺纹槽处的应力集中,在简化了的螺纹槽管(图3)危险截面附近取出一小段(长度为一个螺距h =6 mm,中间含有一个螺纹槽,槽深e =0.39 mm、槽底曲率半径r=0.2 mm),将按弯曲理论计算出的分布应力加在这小段螺纹槽管的两端,然后用有限元法(应用ADINA软件并采用20结点等参元)对这一小段进行数值计算以确定最大应力。结构离散图如图4所示。