上海交通大学本科毕业（设计）论文液氮容器内支撑玻璃钢管隔热的有限元分析摘 要在了解低温容器的国内外研究现状的基础上，对低温储罐的内支撑结构进行有限元热分析。先比较几套网格划分方案，分析内支撑模型中，单元数与节点数对计算精度的影响，确定出合理的划分网格。再根据支承结构的特点建立玻璃钢管内支承结构有限元热分析简化模型，分析了长度、直径和厚度数据对玻璃钢管内支承漏热量的影响规律，并进行比较。分别绘出温度场、热流分布以及温度梯度图表，通过对图表的分析和比较，得到玻璃钢管长度、直径和厚度对传热量的影响规律。当长度L、直径D固定不变，厚度越大，造成玻璃钢上的温度差缩小，总传热量增大，平均热流随厚度的增加下降。当长度L、厚度固定不变，直径D越大，玻璃钢上的温度场分布变化不大，热流略有增大，漏热量增大，且平均热流随D的增大而增大。当厚度、直径D固定不变，长度L越大，玻璃钢上的温度场分布变化不大，总传热量减小；平均热流随长度L的增加下降。为今后工程设计以及热应力分析提供依据。关键词：液氮低温储罐，内支撑结构，玻璃钢，网格划分，热应力，温度梯度FINITE ELEMENT ANALYSIS OFHEAT INSULATION FOR THE FIBER GLASSINNER SUPPORTS OF LIQUID NITROGEN VESSELABSTRACTThe main task of this thesis is to analysis thermal finite element for fiber glass inner supports of liquid nitrogen vessel. According to knowledge of cryogenic liquid nitrogen vessel in and abroad, the inner supports structure and the thermal properties of fiber glass pipe are studied based on the demands of the Mission of Graduate Design. Then the solution is operated after modeling.During the procedures above, the author compares several schemes with different numbers of element and node in order to establish the proper meshing control for the number of element and node affect the exactness when computing. Models of fiber glass pipe with different length, diameter and thickness are computed with ANSYS respectively, and the results are compared. According to the diagrams of temperature field, heat flux and temperature gradient, we can draw the graph of discipline of heat flow and obtain that: heat flow increases with the increasing of diameter and thickness, and decreases when length increases. The reliable gist is offered for thermal stress analysis and engineering design of special nitrogen vessel.KEY WORDS: liquid nitrogen vessel, inner support, fiber glass, mesh, thermal stress, temperature gradient.目 录第一章 概论1 课题研究对象2 低温容器国内外研究现状3 有限元法在低温压力容器设计中的应用4 本人所做的主要工作第二章 液氮容器分析的有限元理论基础1 有限元方法的基本原理（1） 空间三维有限元单元介绍和比较（2） 有限元在稳态热传导分析的应用（3） 线性代数方程组的解法2 实际有限元分析的处理方法（1） 实际有限元分析的处理原则（2） 有限元计算中所使用的处理方法简介第三章 液氮容器内支撑玻璃钢管的稳态热分析研究1 内支撑玻璃钢管的传热分析模型2 内支撑玻璃钢管的稳态热分析（1） 热分析理论（2） ANSYS热分析简介（3） 非线性求解方法（4） ANSYS分析非线性理论（5） 热分析过程和步骤3 计算结果汇总第四章 结论与展望参考文献附录致谢符号说明变量：导热系数（）：热量（）：温度（）：沿直角坐标系X方向的位移（）：沿直角坐标系Y方向的位移（）：沿直角坐标系Z方向的位移（）：热流量（）：发射率：压强（）：与温度有关的对流换热系数（）：厚度（）：长度（）：直径（）：形状因子：Stefon-Boltsman常数下标含义：max：最大值min：最小值I, j, m, n： 单元节点号x, y, z：X，Y，Z坐标平面t：温度第一章 概论1.1 课题研究对象众所周知，低温技术在能源使用、资源开发、空间技术、冶金、机械、医疗卫生、生物学和畜牧业等许多领域有着广泛的应用。由于低温的产生、应用与研究都离不开低温液体的贮运，因而用语低温液体贮运的低温容器是低温工程必不可少的工具。对于低温储罐系统，需要具有良好的绝热性能。内支撑结构是解决漏热量和受力这对矛盾的关键，因此具有非常重要的研究价值。为细化研究内容，获取更可靠的研究数据，从而专门取低温容器内支撑结构的传热模型为课题研究的对象，阐述了内支撑设计的指导原则和具体的应用方法；针对材料的性质对内支撑的影响，分析了玻璃钢管直径、厚度与长度对于传热量的影响规律。内支撑结构的主要材料是玻璃钢管，材料物性见表1.1和1.2；液氮储罐内外罐体主要材料为0Cr18Ni9，材料物性见表1.3。表1.1 玻璃钢管料层向玻璃钢物性库温度（K）293.15263.15233.15203.15173.15143.15113.1593.15压缩弹性模量（Gpa）36.036.4236.8337.2537.6738.0838.538.78泊松比(层内)0.2840.2980.3110.3250.3390.3520.3660.375泊松比(层间)0.7860.740.6940.6480.6010.5550.5090.478平均热膨胀系数106（293.15K）（1/K）21.3321.1420.7720.2119.4818.5617.4616.63导热系数（W/mK）0.460.4470.4310.4140.3940.3730.350.334表1.2 玻璃钢管料垂向玻璃钢物性库温度（K）293.15263.15233.15203.15173.15143.15113.1593.15压缩弹性模量（Gpa）12.814.215.617.018.419.821.222.13泊松比0.210.2140.2170.2210.2240.2280.2310.233平均热膨胀系数106（293.15K）（1/K）50.649.3448.1246.344.0941.4938.536.29导热系数（W/mK）0.4090.3970.3810.3620.3390.3110.280.256表1.3 0Cr18Ni9物性库温度（K）2952201801401109077压缩弹性模量（Gpa）200.00204.82207.39209.95211.88213.17214.00泊松比0.290.2860.2840.2810.2800.2790.278剪切弹性模量（Gpa）77.3079.5480.7381.9282.8283.4183.80平均热膨胀系数106，（293.15K）（1/K）16.5015.6615.1114.4913.9813.6113.37导热系数（W/mK）14.8712.8711.8010.629.358.567.931.2低温容器国内外研究现状近半个多世纪以来，随着低温技术的发展，低温容器已有了很大发展，其设计制造技术日趋成熟，如英国牛津仪表公司已全部采用计算机辅助设计（CAD），并对大多数零部件实行计算机辅助加工（CAM）。低温容器是储存和运输液化气体的设备的总称，也是杜瓦容器、低温储液器和储槽的统称。它一般包括储液容器、绝热结构、储槽外壳和机械构件等组成的储槽本体，液、气排注及回收系统，压力、温度、液面和流量的测量仪表组成的测量系统、安全设施等部分。根据低温容器的绝热类型，可分为非真空绝热型低温容器和真空绝热型低温容器两种，前者组合要用于沸点相对较高的气体液化储存或应用于大型场合，是大型的液氧、液氮和液化天然气的贮运容器；后者也称杜瓦容器，它主要是中、小型液氧、液氮和液氦等的贮运容器。真空绝热类型即包括高真空绝热、真空粉末绝热、高真空多层或多屏绝热。按用途分，低温容器分为固