高温条件下板翅结构的蠕变强度设计理论

随着对节能技术需求日增，基于板翅结构的高效换热技术越来越多地运用于各类工业生产。板翅结构的优异性能，使其特别适合于高温气冷堆、燃料电池等高温高压工作环境。但是，目前对板翅结构的高温力学性能了解甚少，无法对其进行强度和寿命的设计,这已成为制约板翅结构应用于高技术领域的瓶颈问题。为此本项目在周期性结构均一化模型和弹性基板壳理论的基础上，对板翅结构的蠕变强度和失效行为进行研究。通过大规模非线性有限元模拟及试验对比，考察上述两种模型的适用范围和准确性，为建立大型板翅结构换热装置整体高温行为分析奠定理论基础。同时，利用数字散斑相关法和远距离显微成像技术，揭示板翅结构局部高温变形，获取钎焊部位裂纹随时间的演化过程。进而，基于损伤力学推导出板翅结构几何参数与其寿命间的关系，建立起板翅结构高温行为力学的多层次分析框架，为高温环境下的板翅结构提供蠕变设计的理论基础。

高温板翅结构换热器的失效主要集中于高温蠕变、周期性疲劳以及高温环境所引起的材料老化和脆化，如何确定高温板翅结构换热器的失效部位、失效准则以及相应的高温设计方法，是高温服役板翅式换热器研究中的难点。针对这一问题，本项目重点研究了高温紧凑式换热器热力性能、高温材料蠕变性能测试方法、板翅结构粘弹性力学性能、泡沫金属结构换热器高温力学性能及残余应力的分析与优化，在以下方面取得了突破性进展：.1）针对紧凑式换热器传热的高效性，提出了基于一次传热表面的一次表面紧凑式换热器。并对这两种结构形式紧凑式换热器的传热及阻力性能进行了CFD数值分析计算，通过与试验结果对比，验证了该计算模型的可行性和准确性，为进一步优化紧凑式换热器结构及拓展其应用领域奠定了基础。.2）发展了高温服役材料蠕变性能的测试方法。基于Norton方程，采用三点弯小试样蠕变试验获得了载荷与变形位移速率的关系式和蠕变参数B的解析表达式，实现了与传统单轴拉伸蠕变试验数据之间的转换。.3）提出了极端服役条件下板翅结构换热器的与时间相关力学性能的分析方法。运用准静态粘弹性-静态弹性对应原理和数值逆变换方法，提出了针对板翅结构粘弹性力学行为的半解析计算方法，合理考虑结构参数、材料参数对其的影响关系，为板翅结构的安全服役提供建议。基于新开发的板泡结构换热装置，通过试验获得高温下的粘弹性参数，采用小变形薄板理论和弹性支承结构模型，建立了极端服役条件下泡沫金属结构换热装置的结构应力分析方法。.4）完善了板翅结构均匀化理论与设计。将316L不锈钢板翅结构单元进行等效均匀化，通过单轴拉伸和纯剪切模拟，获得了板翅结构正交各向异性均匀化常数，通过对比均匀化实体和板翅结构的弹塑性曲线以及蠕变曲线，验证了均匀化方法描述板翅结构高温力学性能的可行性和准确性。.5）完善了钎焊板翅结构残余应力的优化。针对不同的急冷速率和加压组装，详细分析了钎焊操作过程中残余应力的分布情况，提出了优化残余应力的操作条件，实现了板翅结构换热装置的安全服役。