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锅炉集箱热应力有限元分析及裂纹扩展速率的研究

作　者: 武云龙
导　师: 程方杰
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 锅炉集箱热应力疲劳裂纹扩展速率疲劳寿命
分类号: TK223.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

低周疲劳是电站锅炉的主要失效形式，其中由温差产生的热应力是影响材料低周疲劳寿命的主要因素。目前国内的科研力量主要集中在集箱管接头部位应力和数值模拟计算。但对于集箱材料Q245R的疲劳裂纹扩展速率的综合分析和疲劳评估相对很少，因此对高温下疲劳裂纹扩展速率的数据积累就十分重要。本文首先对锅炉集箱进行ANSYS有限元模拟的热应力分析，获得了不同工况下集箱外表面的应力应变分布状况，并提取集箱在不同工况下沿壁厚方向的应力分布，为锅炉集箱的疲劳寿命预测提供了有利的数据基础和可靠的载荷条件。通过高温疲劳试验，对锅炉集箱材料Q245R分别在400℃高温和室温条件下，采用应力比R=0.05和R=0.5进行了疲劳裂纹扩展速率测试。得出结论：其疲劳裂纹扩展速率在高温时更快，而在温度相同的条件下，疲劳裂纹扩展速率都在高应力比时更快。对Q245R在R=0.05和R=0.5两种条件下室温和400℃高温的疲劳裂纹扩展门槛值进行测定，结果发现：疲劳裂纹扩展门槛值随着应力比R的升高而减小，随温度的升高而降低。根据BS7910-2005标准，结合有限元模拟和疲劳试验的数据，应用VisualBasic软件对锅炉集箱的疲劳寿命进行预测。对于给定外表面初始裂纹的长度和深度，根据有限元模拟提取的热应力值、疲劳裂纹扩展试验得到的门槛值及Paris公式中的参数，可以评定其在服役期间的裂纹扩展情况，并估算其剩余寿命。通过对Q245R材料在不同温度下进行拉伸试验，得到不同温度下弹性模量和屈服强度的数据，从结果可知弹性模量和屈服强度随温度的降低而呈线性升高。在室温下Paris公式、弹性模量数据的基础上，分析了Q245R材料疲劳裂纹扩展速率与温度的关系。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-19
  1.1 选题背景及意义  8-9
  1.2 疲劳破坏的基本理论  9-14
    1.2.1 疲劳破坏与失效  9-10
    1.2.2 疲劳评定的研究现状  10-11
    1.2.3 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用  11-13
    1.2.4 电站锅炉集箱壁疲劳破坏的机理  13-14
  1.3 国内外电站锅炉失效的研究现状  14
  1.4 国内外锅炉寿命的研究现状  14-17
  1.5 存在问题  17
  1.6 本文研究的主要内容  17-19
第二章不同工况下锅炉集箱热应力有限元计算  19-27
  2.1 几何模型的建立  19-20
  2.2 有限元模型网格的划分  20-21
  2.3 边界条件  21-22
    2.3.1 工况分析  21
    2.3.2 边界条件的确定  21-22
  2.4 计算结果及分析  22-25
    2.4.1 集箱的变形计算结果及分析  22-23
    2.4.2 集箱的应力计算结果及分析  23-24
    2.4.3 与传统公式计算结果的对比  24-25
    2.4.4 集箱的热应力循环图  25
  2.5 本章小结  25-27
第三章试验设计及数据处理方法  27-38
  3.1 疲劳裂纹扩展速率试验  27-34
    3.1.1 试验原理  27-28
    3.1.2 试验设备与试样制备  28-31
    3.1.3 试验安排及方法  31-32
    3.1.4 试验数据处理方法  32-34
  3.2 疲劳裂纹扩展门槛值的测定试验  34-35
    3.2.1 试验设备与试样制备  34
    3.2.2 试验安排及方法  34
    3.2.3 试验数据处理方法  34-35
  3.3 高温拉伸试验  35-37
    3.3.1 拉伸试样的制备  35-36
    3.3.2 试验安排及方法  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 Q245R 疲劳裂纹扩展及拉伸试验结果分析  38-45
  4.1 原始数据及 a-N 曲线绘制  38-40
  4.2 Q245R 疲劳裂纹扩展速率结果  40-43
    4.2.1 Q245R 在不同温度下疲劳裂纹扩展速率比较  41
    4.2.2 Q245R 在不同应力比下疲劳裂纹扩展速率比较  41-42
    4.2.3 Q245R 疲劳裂纹扩展门槛值测定结果  42-43
  4.3 Q245R 高温拉伸数据结果  43-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章锅炉集箱热应力疲劳寿命预测程序  45-53
  5.1 裂纹尖端热应力疲劳载荷的确立  45
  5.2 疲劳评定程序设计  45-52
    5.2.1 缺陷描述界面  47
    5.2.2 材料性能界面  47-48
    5.2.3 工作条件界面  48-49
    5.2.4 疲劳载荷界面  49-50
    5.2.5 评定结果界面  50-52
  5.3 本章小结  52-53
第六章高温疲劳裂纹扩展速率表达式的探究  53-56
  6.1 高温拉伸试验结果分析  53-54
  6.2 从室温向 400℃疲劳裂纹扩展速率的拓展尝试  54-55
  6.3 本章小结  55-56
第七章结论  56-58
参考文献  58-62
发表论文和参加科研情况说明  62-63
致谢  63

锅炉集箱热应力有限元分析及裂纹扩展速率的研究

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