采用一种叠层壳单元的玻璃钢烟囱的热分析外文翻译资料

英语原文共 20 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

采用一种叠层壳单元的玻璃钢烟囱的热分析

摘要

由于其高的耐腐蚀性和耐化学品性，在制造工业烟囱时，增强型塑料（FRP）材料正越来越多地被应用于工业烟囱中。烟囱的设计是受管制的 风荷载，以及热负荷造成的差异之间的环境，操作和固化温度。这项研究涉及调查的热应力引起的 在角铺设层压FRP烟囱，使用内部开发的层合壳单元模型。该有限元模型是真实工程研制进行热分析大量板壳问题 分析和比较的结果在文献中所提供的。一个广泛的参数研究，然后采用壳有限元模型参数加上了明显的热应力对于玻璃钢烟囱。

研究表明，热应力是唯一受叶片倾角的层数，纤维含量和厚度的温度分布。分析了铝 所以，在垂直于纤维方向的局部裂缝预计由于热负荷发生。最后，热应力值，可用于在玻璃钢烟囱的设计， 当开裂被认为是作为透厚度温度分布的函数。。

1。介绍

由于其高腐蚀性和耐化学性，增强塑料材料（FRP）被广泛应用于工业烟囱的建造。1984、普雷其尼克等人1。介绍

由于其高腐蚀性和耐化学性，增强塑料材料（FRP）被广泛应用于工业烟囱的建造。1984、普雷其尼克等人报道了一个52米高度自立放大器的BER玻璃堆栈，这是在美国摩西莱克糖加工厂生产的。在过去的十年里，北美洲和世界各地都有大量的玻璃钢烟囱。玻璃钢烟囱通常应用于制浆造纸和化学工业生产高腐蚀性气体。玻璃钢macr;UE气体也已建成发电站。FRP栈通常是由大量的角度铺设层。各层的成分是典型的乙烯基酯树脂和无碱玻璃纤维reg;。一个70%的传真BER内容（基于重量）是 特别是用在玻璃钢烟囱施工（以及管）。没有国家代码目前存在的玻璃钢烟囱的设计。由普里查德[ 2 ]说，尝试是目前由国际委员会的工业烟囱，cicind，开发 这样一个代码。本研究是玻璃钢烟囱结构性能研究的一部分。本调查主要集中在热载荷的影响。

本研究从布里macr;Y描述层合板壳单元模型，采用玻璃钢烟囱进行热应力分析。该放大器黑夜元素模型扩展到包括热L 口服降糖药是非常reg;使用大量现有文献中的板壳问题的热应力分析结果。然后，该应用程序将用于执行一个广泛的 参数化研究，以确定影响玻璃钢烟囱的热应力的主要参数。实际的考虑，应考虑热应力分析 的FRP烟囱，进行了讨论。最后，图表预测FRP烟囱热应力诱导功能的参数去宁通过厚度的温度分布分析 D.

2。CLS元素和热负荷的说明

最好的作者的知识，没有封闭的形式的解决方案是目前能够利用热应力引起的层合圆柱壳的厚度温度变化的结果 。因此，利用壳元素模型进行元素分析是最好的选择。虽然大量的reg;有限元的研究一直是热应力引起的无功进行 对革命[ 5 ] 3plusmn;白条的贝壳，似乎没有尝试研究FRP烟囱特别是热应力。

由于其简单，退化壳元素是基于Mindlin板理论，对烟囱的应用提供了一个合适的数值计算方法。退变的壳单元reg;RST我 介绍了艾哈迈德等人的。[ 6 ]通过九节点等参元。然而，退化等参壳元素预测非常僵硬的解决方案（锁定）时，用来模拟 n板壳体结构。一个一致的参层合板壳单元最近开发的，用于各种壳的应用[7,8]。此元素的主要优点是从杂散剪切模式免费； 即不表现出锁时，用于薄壳结构模型。

在一致的参壳单元、位移矢量UI在全球自由度位移u表示，V和W沿坐标轴X，Y和Z，分别 Y，和旋转的A和B的地方y_和x_轴，分别。该参壳元无伪剪切模式由于位移用立方间近似 插值函数和旋转，利用二次插值函数近似。一致的壳单元有十三个节点，其中十个节点被用来实现完整的立方p 多项式的位移，而六节点得到的旋转，如图1所示的一个完整的二次多项式。该元素固有的限制是它不 路德的正应力分量垂直于表面（sz_z_）在其制定的。

不同的坐标系统，用于制定一致的壳单元，如图1所示。这些坐标系统给出

图1.一致层合壳坐标系和节点自由度

1轴的全局集（x，y和z）

2轴的地方设置（x_，y_和z_）；x_和y_是壳体表面的切线，而z_垂直于表面。

3轴（1，2和3）的材料组，对于一定的层，轴1和2是相切的表面，而轴3是垂直于外壳的表面。轴1是沿纤维方向。

某层，定位Q角是指x9和一轴之间的角度

2.1。热载荷向量

局部坐标系中壳体结构的应力应变关系

是

和分别是最初的局部应变和应力向量，分别。矩阵[ D]相关的本构矩阵正交各向异性材料[D]使用下面的转换：

本构矩阵[D]，由琼斯所提供，是在材料轴系统中的1 -2-3。矩阵代表有关的局部坐标系的变换矩阵（，和）的 材料轴系统（1，2和3）。Cook等人给出的一个表达式为。

温度变化引起的热应变（在材料轴1plusmn;2）由下式给出：

和分别是这一层的热膨胀系数物料轴方向1和2。的变换矩阵获得局部初始应变相对于局部轴表示的，，

通过定义平面的势能（仅受热力作用）

（5）

代入等式(1)和（5），取0，加载向量{f}利用最小势能原理得到温度变化然后将其代入壳单元模型

三.模型验证

为了验证所开发的有限元模型的准确性，热使用一致性进行了一些板和壳问题的分析

层合壳单元。

3.1。线性变化温度下的各向同性板分析了线性变化情况下简支各向同性板厚度温度分布。温度在任何点内的变化板表示为：，其中是温度在纤维的顶部和底部的显示；Z是正常的板和测量从中间表面；H是板的厚度。板简支四边。分析的结果是用无量纲参数，这被定义为

在公式中，是板的中心挠度，是热膨胀系数，A是沿x轴的板的长度。

令B是沿y轴的板的长度，分析了B/A，和H/A。无量纲参数值由这些分析所引起的，这些预测是由Timoshenko等人所提供。

图表1显示出了良好的一致性，应当指出的是，由各向同性板的热分析所得的位移相对于板的弹性模量是独立的。在分析中，板的泊松比被假定为0.3。

3.2。线性变化的反对称角铺设层合板温度的变化

采用热应力分析方法，考虑了角铺设（）方板一致壳单元。板具有相同的边界条件，并受到相同的热影响。

图表1

线性变化温度下各向同性板的分析结果

在前文的描述中通过相同的厚度温度分布，正交各向异性板沿1 - 2方向的力学性能（1是纤维的方向，2是在板平面中垂直于纤维的方向）提供数据=53.8GPa,=17.9GPa，,,,,A/H 设定为100，其中A和H分别是板的长度和厚度。

对板的各种角度的分析，并分别考虑2,4 层，分析的结果也提出了利用无量纲WL和参数见表2，连同那些预测的吴等人进行的有限元解。俩组分析的结果之间具有很好的一致性。

3.3。线性变化温度下的各向同性圆柱体

一个封闭的各向同性圆柱体系统无固定端，穿透厚度方向的温度变化是线性的，由Timoshenko等人所提供。根据这一方案，纵向应力和环向应力在气缸的外表面和内表面上远离边界的点处（约束或自由端）通过以下关系求值：

图表2

线性温度变化下反对称角铺设板的分析结果

（6）

和分别是板内外表面的温度，在上式中，如果＞则外表面表现为张力，一个各向同性的自由站立的圆筒具有弹性模量E = 36.85 GPA，泊松比 = 0.3，热膨胀系数=和直径D = 3米已使用一致的层合壳单元建模。气缸经受穿透厚度温度分布。上述参数代入式（6）以求得远离边界的截面应力。

根据式（6），这样的截面受到纯圆周和纵向弯曲应力（即在中间表面的应力等于零）在内外面分别等于2.027 MPa和22.027MPa 结果有限元分析与Timoshenko et. al所预言的相一致。在图2中绘制了应力和沿气缸长度方向（在图中y=0代表着自由端）。其中是外环向向弯曲应力，是外的纵向弯曲应力，是中截面环向应力，图表二显示纵向弯曲应力在自由段为0，，，都远离边界逼近精确值2.027MPa，也很显然，封闭环境和有限元的解决方案的一致性得到了解决。

图2。外表面纵向和环向应力和气缸自由端由于温度的线性变化而产生的变化。

图表3.正交圆柱板。

3.4。反对称正交圆柱板受均匀的温度

一个四层的跨层（0/ 90 / 0 / 90）圆柱曲板考虑了热应力分析，面板受到均匀的温度影响，其几何形状是由以下比例定义：A/B=1, A/H=100 和R/B=1，A,B,R都在图表三中有表示，而H则是壳的厚度，俩种情况的边界条件被考虑进来：BC1具有四边的板夹而BC2具有圆周的板夹。1-2层有以下材料的方向定义的属性

E1=181 GPa, E2=10.3 GPa, G12=G13=7.17 GPa, G23=6.21 GPa,n12=n13=n23=0.25, a1=0.02acute;1026 m/m/°C, a2=22.5acute;1026 m/m/°C。分析的结果是用无量纲参数表示，钱德拉谢卡拉

等人通过图表三预测了有限元分析的结果。可以得出的结果如表3所示：

表三：

对反对称正交分析结果（0/90/0/90）在温度均匀的圆柱曲板 (A/B=1, A/H=100, R/B=1)

一致的层合板单元具有很好的一致性（由chandrashekhara等人分析得出）

4。玻璃钢烟囱的热应力分析

在进行热应力分析的时候确认一致的层合板壳单元的精度，有限元模型是用来研究FRP烟囱引起的各种参数影响热应力的影响。玻璃钢烟囱通常由角铺层方向角度之间的差异（）在施工层角铺设使用玻璃钢烟囱是比任何其他的堆叠顺序更有利的。这种配置最大限度地减少耦合的延伸和弯曲之间的剪切应力和正应变。在施工的难易程度上，角层配置提供材料比叠层构造从正交配置具有更高的面内剪切刚度。

热应力引起的FRP烟囱取决于复合材料固化温度。不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂这些常用的玻璃钢烟囱施工材料，通常在温度为50 C和150 C之间工作。为了研究热应力导致操作和固化温度之间的差异，一些玻璃钢烟囱由der411–45矩阵由无碱玻璃纤维增强 ERS是使用一致的层合板壳单元模型。对于百分之70纤维含量（基于权重）的材料沿轴方向的机械性能为：E1=36.85 GPa, E2=11.16 GPa, G12=G13=3.36 GPa, G23=4.32 GPa, a1=7.7acute;1026 m/m/°C, a2=43.4acute;1026 m/m/°C。a1和a2分别是沿纤维方向和垂直于纤维方向的热膨胀系数。固化温度（复合材料的参考温度）假定等于100℃，材料在室内和室外操作的温度分别是70和230℃，这导致了温度的变化（相对于固化温度）在室内和室外表面的温度分别为-30℃和-130℃，以上的机械性能和温度的变化研究一个参数的变化对各种参数的影响，（壳的厚度，层合板层数、纤维的取向角，烟囱的直径和高度）在热应力引起的FRP烟囱运行阶段。在所有的分析中，假定的边界条件是烟囱底部完全固定，顶部无位移约束和旋转约束。

4.1。各层厚度的影响

玻璃钢烟囱直径D=3m，高L=40m考虑热应力分析，层压板的烟囱由5角铺设层（55/255/55/255/55）注意这些角度是相对于轴的，相切的表面位于同一水平面。分析由厚度从10mm到130mm不同的层压板得出的，虽然，这些会导致显着的厚层厚度（这可能是不现实的）本实验的目的是讨论不同厚度的影响。本文的研究是不同的层的数量对一定厚度的影响。内外表面温度分别是-30和-130℃的线性温度分布（在上一节所描述的）。热应力（纵向和环向）分别为图表四和五中远离边界的一点为基础。图4表明，厚度对热应力的影响部分远离边界。这是由于这样的事实，通过增加厚度的外壳，无论是在 初始热应变（外部载荷）与壳体的刚度从而提高最终的热应力相同的值。图5显示了一个厚度为60毫米，在厚度的增加会导致，在烟囱基础上轻微的增加相应的热应力。相同的图形表明，厚度超过60mm时应力变为一个常数值。这个现象也以层板的形式被thangaratnam等人报道出来。综上所述，可以得出结论，超过一定厚度值，FRP烟囱的厚度的增加，对热应力的变化没有影响。

4.2。烟囱的直径的影响

一个具有高度等于L = 40米烟囱，厚度h = 65毫米，由5层对称角铺设层合板（）考虑热应力

图4。在远离烟囱的边界，周向和纵向五层铺设应力（plusmn;55°）与玻璃钢烟囱厚度的关系。

图5。在烟囱的基础上，周向和纵向五层铺设应力（plusmn;55°）与玻璃钢烟囱层压板厚度的关系。

分析评估烟囱直径的影响，当研究厚度的影响时温度的变化遵循先前描述的线性分布，参数的研究在烟囱直径从1.5m到6m之间研究。在烟囱的基础上热应力变化与直径之间的关系由表六显示。可以从图中看出直径的变化对热应力的影响不显著，图7中的环向热应力（和轴向（经向）热应力（）绘制沿烟囱高度的分析，正如预期。环向和轴向热应力在边界附近快速波动，（为固定和自由边界）在一般情况下，热应力分布的高应力值出现在非常接近边界的一个狭窄的区域内。

图表六：玻璃钢直径对热应力的影响。

图7。环向和在线性变化的温度下沿玻璃钢烟囱高度的内表面轴向应力的关系

4.3。烟囱的高度的影响

烟囱的高度对热应力的影响通过控制相同的厚度和直径，改变高度来研究。分析结果表明，热应力的最大值（发生在烟囱底部固定）与烟囱的高度无关。应力分布沿高度AR E通常如图7所示；高度的变化只影响具有恒定应力分布区域的长度。

4.4。层数和纤维取向的影响

在这个部分，不同的层数的影响（保持总厚度不变）在研究玻璃钢烟囱和取向的纤维在热应力引起的。玻

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[141414]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word