板翅式换热器封头强度的分析设计研究

采用塑性功曲率（plastic work curvature,PWC）准则和非线性有限元技术相结合的直接法计算了工业封头产品的塑性压力和塑性接管载荷,并将其与其他方法的计算结果进行了比较。分析结果表明,PWC准则塑性压力在理想塑性分析条件下与Cloud-Rodabaugh极限压力和ASME极限压力很接近;PWC准则塑性载荷以总塑性功作为结构整体塑性失效的全局指标,其应变硬化分析条件下的结果能反映材料应变硬化对封头强度的强化效果,克服了TES（twice elastic slope）准则需凭经验选择变形参数的缺点;直接法避免了弹性应力分类的困难,方法简便。研究表明,基于PWC准则的直接法是解决板翅式换热器封头这种复杂结构分析设计问题的有效方法。     

板翅式换热器正交接管封头塑性压力研究

针对板翅式换热器正交接管封头的强度设计问题,给出了基于比率塑性功曲率(Ratio plas-tic work curvature,RPWC)准则塑性压力计算方法,并利用弹性应力分析设计准则对封头在许用压力作用下的强度校核。对某工业封头的塑性压力及其许用压力算例分析表明,比率塑性功曲率峰值确定RPWC准则塑性压力具有唯一性,克服了两倍弹性斜率准则需凭经验选择变形参数的缺点;许用压力作用下的封头强度满足弹性应力分析设计准则。基于RPWC准则的方法是板翅式换热器正交接管封头塑性压力计算的有效方法。     

板翅式换热器封头应变试验及塑性压力研究

针对板翅式换热器封头强度设计问题,采用有限元法及电测法对内压作用下的正交接管封头进行了研究,给出了比率塑性功曲率(RPWC)准则、塑性功曲率(PWC)准则、零曲率(ZC)准则的塑性压力确定方法。研究结果表明:试验测试及有限元分析结果的一致性验证了有限元建模方法的正确性;3种准则塑性压力计算结果验证了几何尺寸参数对塑形压力的影响;RPWC准则塑性压力判定方法相对PWC准则和ZC准则更具简便直观;给出的封头RPWC准则塑性压力拟合公式具有合理性,为封头设计压力计算和尺寸参数选择提供了有益参考。     

基于能量准则的板翅式换热器封头安定性研究

针对板翅式换热器封头在工作介质压力周期性变动下的失效问题,开展了循环内压作用下的封头结构安定性分析.建立一种基于孙阳能量判定准则的安定性分析建模及计算方法,并与厚壁圆筒安定解析解进行了比较分析,结果表明安定性分析能量法的合理性和有效性.针对不同开孔率下的安定载荷边界曲线的变化规律,拟合了安定性下限载荷计算公式,为板翅式换热器带接管-封头工程设计和安定性分析提供有益参考.     

斜接管道结构在内压作用下塑性极限载荷的有限元分析方法研究

采用有限元方法,建立了斜接管压力容器结构在内压作用下的数值模型,并将不同载荷下管道的热点应力分布与现有文献实验结果进行了比较,两者吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。对于正交接管利用两倍弹性斜率、切线交点和零曲率极限载荷准则获得斜接管道失效的极限内压;并将正交接管的极限内压与Cloud以最大有效应力达到屈服时对应的理论上极限内压值进行比较,结果表明：两倍弹性斜率与切线交点极限载荷准则在预测极限内压时偏于保守,零曲率准则对确定斜接管压力容器的极限载荷比较恰当。然后利用零曲率准则确定斜接管压力容器的极限载荷,采用控制单变量变化的方法,分别分析了接管中心线与简体中心的夹角、接管与筒体直径之比和筒体厚度与直径之比对极限载荷的影响,最后综合考虑这些因素的影响,得出了斜接管压力容器极限载荷的近似计算式。提供的分析方法为压力容器的设计及安全性评定提供了一种新途径。     

板翅式换热器正交接管封头极限载荷试验研究

采用电测法及有限元法对内压作用下的正交接管封头进行了研究,比较了两种方法下的封头筒体弹性应力分布线和极限载荷值。结果表明,试验所测和有限元计算所得的弹性应力分布线变化规律一致,基于两倍弹性斜率准则和双切线准则所确定的极限载荷试验结果和有限元计算结果较接近,再次验证了采用有限元塑性极限分析进行压力容器强度设计的可行性。     

板翅式换热器封头许用接管外载荷计算方法及应用

分析了板翅式换热器封头接管外载荷产生的原因和进行许用接管载荷计算的必要性。通过对组合极限接管载荷分量相互关系的分析,提出了接管载荷强度验算简化公式和以壳结构有限元应力分析为基础的许用接管载荷计算方法。以某封头为例,分析了接管载荷对封头强度的影响规律,给出了许用接管载荷计算过程和结果。通过对许用接管载荷计算方法及算例的分析表明,提出的方法是可行的,可有效解决封头接管载荷强度设计问题。     

接管形式对板翅式换热器封头极限压力的影响

利用非线性有限元法计算了五种接管形式板翅式换热器封头的极限内压,比较了极限内压与尺寸参数的关系.     

球形封头开孔接管结构屈曲特性研究

针对外压作用下球形封头开孔接管结构,采用有限元非线性屈曲分析方法,探讨不同结构参数对其临界失稳压力Pcr的影响.研究结果表明,当球壳主体参数径厚比一定时,临界失稳压力削弱系数K随开孔率增大而下降,随接管与封头厚度比增大而增大.接管与封头厚度比较小时,计算模型失稳位置位于接管;接管与封头厚度比增至一定值时,计算模型失稳位...     

椭圆形封头开孔接管结构失稳临界压力研究

椭圆形封头开孔接管是工程中常用结构之一,研究其外压下失稳临界压力可为工程设计提供依据。通过有限元非线性屈曲分析,针对3个无量纲参数:接管与封头厚度比δet/δe、开孔率d/D、封头径厚比Di/δe,较为系统地讨论了不同参数下标准椭圆形封头中心开孔接管结构失稳临界压力Pcr的变化规律。研究结果表明,随着厚度比δet/δe增大,分析结构的失效位置由接管变为封头。失效位置不同,结构的失稳临界压力规律不同。分析表明大开孔厚壁接管对外压椭圆形封头的强化效应显著。     

内压作用下斜接管容器塑性极限载荷的数值研究

对三台具有斜接管的圆柱形容器(θ=30°,45°,60°)在内压作用下的塑性变形特征及塑性极限载荷进行了三维非线性有限元数值研究.结果表明:斜接管与筒体截交区纵向截面的锐角侧材料首先进入塑性状态.截交区附近出现明显的塑性变形,纵向截面内发生径向收缩,而横向截面出现明显的径向鼓胀,接管与筒体间的夹角减小.结果同时提供了三台容器的极限载荷值,为该类容器的分析设计提供了依据和参考.     

防止承压设备总体塑性变形的5%最大主应变准则

提出了按5%应变确定塑性载荷的最大主应变准则。该准则可以用来防止承压设备的总体塑性变形。5%最大主应变准则只需要经过弹塑性分析,求出承压设备在载荷作用下产生的最大主应变,当最大主应变达到5%时,作用在承压设备上的载荷就是塑性载荷。与其它已有确定塑性载荷的准则相比较,5%最大主应变准则不需要预先画出载荷—变形(应变)曲线,因而,就不需要选择变形参数(选择变形点的位移,或者容器体积的变化等)。例子分析给出了5%最大主应变得到的塑性载荷,并与应力分类方法、两倍弹性斜率准则和双切线准则作了比较。     

基于线性匹配方法的核电站弯管在循环载荷下的安定性分析

进行了核电站90°弯管在内压和面内弯曲载荷作用下的棘轮效应试验,并采用数值方法研究了90°弯管的极限载荷、安定载荷和棘轮边界。利用理想弹塑性有限元分析,基于两倍弹性斜率准则和切线相交准则分别确定了90°弯管单独承受内压和弯曲载荷的极限载荷;利用线性匹配方法确定了90°弯管在单独内压和弯曲载荷以及两者共同作用下的极限载荷和安定载荷;利用Ohno-Wang模型,结合C-TDF弹塑性有限元分析方法和线性匹配方法分别确定了90°弯管的棘轮边界;最后,对弹塑性有限元方法和线性匹配法确定的棘轮边界进行了比较。结果表明：两倍弹性斜率准则、切线相交准则和线性匹配方法确定的极限载荷误差为10.78%,其中弹性迭代的线性匹配法能高效、快速地进行计算。比较C-TDF法和线性匹配法确定的棘轮边界,结果发现：当内压在20~35 MPa之间时,两种方法确定的棘轮边界吻合很好;当内压小于20 MPa时,两种方法的预测结果呈现不同的趋势。     

不同接管形式板翅式换热器封头有限元分析

利用弹性有限元法计算了五种接管形式板翅式换热器封头在内压作用下的结构应力,分析了各种接管形式封头的应力分布情况,指出了各种结构的危险部位。     

Experimental and Numerical Investigation on the macroscopic characteristics of the jet discharging from gaseous direct injector

Injector design is one of the main challenges for development of direct injection and partially stratified gaseous engines. Characteristics of discharged spray from direct gaseous injector influence on combustion and emissions of these engines. In this work axial and radial (lateral) penetration of transient jet of direct gaseous injector are investigated for different nozzle diameters and different pressure ratios numerically and experimentally. High speed Schlieren imaging method is used for jet visualization and image processing technique is utilized for analyzing the images and extracting jet boundaries and its axial and radial penetrations. Finite volume based software is used for numerical calculations. Measuring of the axial and radial penetrations for different cases referred to in this paper provides more accurate formulation for the mentioned parameters for transient direct injection gaseous jet discharged from the injector. Experimental and numerical findings show that higher axial penetrations for larger diameters of nozzle and higher pressure ratios are achievable. Smaller diameter of nozzle gives higher relative lateral expansion while there is no specific distinction for different pressure ratios. Results show that the ratio of radial to axial penetration for transient jet is decreased by time and reaches to a constant value of 0.33±0.05 and the normalized jet axial penetration has a linear dependency on the square root of time for all cases with slope of 2.9±0.4.     

基于三剪统一强度准则的厚壁圆筒自增强分析

基于三剪统一强度准则,考虑材料应变强化效应、包辛格效应、拉压异性及中间主应力的影响,采用双线性强化材料模型对厚壁圆筒进行自增强分析,得到了厚壁圆筒加载应力、残余应力和工作应力的解析解,提出了最佳自增强压力的计算方法,探讨了拉压比、强度准则变化参数的影响,比较了自增强处理和非自增强处理及双线性强化模型和理想弹塑性模型厚壁圆筒的应力分布差异。研究结果表明：厚壁圆筒的最佳自增强压力随半径比和强度准则参数的增大而增大;工作时的最大等效应力随半径比和强度理论参数的增大而减小,随拉压比的增大而增大;自增强等效应力的最大值在弹塑性分界面处,且应力沿壁厚的分布较均匀;与理想弹塑性模型相比,双线性强化模型所对应的弹塑性分界面半径和残余应力较小,且随着自增强压力的增大,两种模型的差值越来越大;等效应力随半径比的变化规律可为厚壁圆筒选择合理的壁厚提供一定的参考;自增强技术可改善厚壁圆筒工作时的实际应力分布,提高其极限承载能力。     

内压圆筒厚度计算公式分析讨论

GB 150—2011中采用的是弹性失效准则,规定对设计压力p≤0.4[σ]t的内压圆筒厚度按中径公式进行设计。JB 4732—1995中规定对设计压力p≤0.4[σ]t的内压圆筒厚度按中径公式进行设计,设计压力p>0.4[σ]t时按Tresca全屈服压力进行设计。比较研究表明:基于弹性失效准则时,中径公式算出的厚度最薄;基于塑性失效准则时,中径公式算出的厚度最厚;当径比较小时,按Tresca全屈服压力和中径公式算出的内压圆筒厚度相差很小,在工程设计中,可以统一采用Tresca全屈服压力计算内压圆筒壁厚。     

A thermal design method for the performance optimization of multi-stream plate-fin heat exchangers

An optimization design method based on field synergy principle is developed for Multi-stream plate-fin heat exchangers (MPHEs) with a segmented differential model. The heat exchanger is divided into a number of sub-exchangers along the main stream, and each sub-exchanger consists of N passages along the height of the exchanger. Compared with the traditional heat exchanger design, this method allows temperature and pressure fields to be obtained via coupling calculation with consideration of variable physical properties and the axial heat loss of the heat exchanger. Finally, the heat exchanger is optimally designed using a temperature-difference uniformity optimization factor based on field synergy principle. This design model can provide an accurate temperature field and pressure field, because the stream properties are determined by the mean temperature and pressure of each local sub-exchanger. Optimum results indicate that the temperature distribution on the cross section of the heat exchanger is relatively uniform and that the temperature difference of heat transfer for each stream is always a small value. These characteristics prove the feasibility and effectiveness of this design model. In this paper, a case of five stream plate-fin heat exchangers for an ethylene plant is designed under a practical cold box operating condition with the proposed model, the structure and heat transfer of which are optimally determined. The design model and optimization method proposed in this work can provide theoretical and technical support to the optimization design of MPHEs.