高温高压膨胀节结构优化设计及热力耦合分析

作     者：罗炳亮 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王云

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：波纹管膨胀节 高温强度 加强环间隙 热力耦合 

摘      要：金属波纹管膨胀节广泛应用于石油化工、核动力、航空宇航等领域,作为一种具有弹性位移补偿能力的压力容器,除了满足强度要求,必须适当减小刚度使其同时满足柔度要求更好发挥位移补偿能力。加强环的使用可以有效提高膨胀节的承载能力,但与此同时加强环使膨胀节刚度急剧增加,从而导致膨胀节的位移补偿能力减弱。目前国内外并未对加强环与膨胀节的装配间隙展开研究,在计算膨胀节强度刚度性能时也并未考虑温度差所带来的热应力,难以满足高温、高压场合下对高强度、低刚度金属波纹管膨胀节的实用需求。为了进一步提高加强型波纹管膨胀节的强度性能,同时尽可能降低加强环对膨胀节刚度影响,提高其弹性补偿能力,本文对高温高压工况下的加强型多层波纹管膨胀节的原理结构进行改进创新,提出了一种带加强环间隙的加强型多层U型波纹管膨胀节,并详细分析了加强环间隙对加强型波纹管膨胀节的强度性能及刚度性能的有益影响,并进一步对其结构参数进行了优化设计。本文首先基于热力耦合的有限元方法得到了高温高压下膨胀节的温度场及热应力,之后将所得的温度场导入静力学结构分析模块,展开了加强环间隙对膨胀节强度性能与刚度性能影响规律的研究计算。得到了不同温度场下,膨胀节Mises应力及轴向刚度随加强环间隙值的变化规律。根据膨胀节强度及刚度随加强环间隙值的变化规律,对膨胀节进行结构优化设计,选择加强环与波纹管之间的最优间隙有效提高膨胀节的强度性能与位移补偿能力,并通过实际产品验证了优化结果的可行性。本文的研究结论与优化思路为高温高压工况下加强型波纹管膨胀节的理论研究、优化设计及制造提供了一种新的理论依据,具备一定的工程应用价值。