某烟囱开裂原因有限元分析

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基本几何参数:
下直径:8m
上直径:5m
高:80m
壁厚:下300mm,上150mm,线性变化

基本材料参数:

混凝土

有限元模型 密度:2500kg/m3
弹性模量:30GPa
泊松比:0.2
热膨胀系数:1×10-5/

基本荷载:
重力:9.8m/s2
温度:
外表面:
50
内表面:400℃

有限元模型:

按照几何参数建立有限元模型,分析软件为ANSYS。使用单元为20节点空间实体单元。烟囱延轴向分为20个单元,环向分为24个单元,径向分为2个单元。有限元模型如右图。

当烟囱内表面温度为400℃时,烟囱在温度荷载作用下伸长了176mm,如图1所示。拉伸应变为0.2%。外表面按弹性计算得到的轴向拉应力达到64MPa,而内表面的压应力超过68MPa,如图2所示。烟囱35m处断面轴向应力如图3所示。说明烟囱出现环向裂缝是完全可能的。其原因是:烟囱内表面升温膨胀将烟囱拉长,而外表面混凝土温度低,温度变形小,处于受拉状态,从而出现裂缝。

       实际重力引起的压力最大约为13MPa,在底部。烟囱内外温差引起的应力大概可以算作

所以,当内外表面温差较大时出现环向裂缝是完全可能的。


内表面400℃变形图  


1、内表面400℃变形图

 

内表面400℃轴向内力图
 

2、内表面400℃轴向内力图

内表面400℃ 35m处截面轴向温度应力  


3、内表面400 35m处截面轴向温度应力

 

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