薄壁圆管结构轴向热变形计算方法与流程

技术特征：

1.薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，采用仿真方法对热载荷作用下薄壁圆管结构的轴向热变形相关特征参量进行数值模拟，根据模拟结果给出薄壁圆管结构轴向热变形计算方法；利用分布式光纤光栅传感器监测所述薄壁圆管结构所受热载荷响应信号，将所述响应信号代入轴向热变形计算模型，计算薄壁圆管结构轴向热变形。

2.根据权利要求1所述的基于薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，该方法用于对稳态均匀温度场环境下薄壁圆管结构轴向热变形光纤监测，所述的采用仿真方法对薄壁圆管结构的轴向热变形相关特征参量进行数值模拟，根据模拟结果给出薄壁圆管结构轴向热变形计算方法具体为：

步骤一：采用仿真方法对稳态均匀温度场的薄壁圆管结构的热变形以及应变进行模拟分析，分别模拟得到薄壁圆管结构处于不同均匀温度场环境下沿轴向路径的热变形以及应变；

步骤二：构建薄壁圆管结构在稳态均匀温度场环境下轴线上任意一点应变与该点所在薄壁圆管结构轴向坐标的关系模型。

3.根据权利要求2所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，建立薄壁圆管轴向坐标系x，所述薄壁圆管结构在稳态均匀温度场环境下沿轴线方向管壁外侧任意位置的热应变与薄壁圆管结构轴向总变形量的关系模型为：

${\mathrm{\ΔL}}_1=(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}{18}+\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}{9}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r3}}{18}+\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_{r4}}{3})L_1,$

其中，ε_r1、ε_r2、ε_r3分别为薄壁圆管外表面沿轴向x＝0、x＝L₁/12、x＝L₁/6处相对应的热应变，ε_r4为薄壁圆管管壁外表面轴线中点处相对应的热应变，L₁为薄壁圆管长度，ΔL₁为薄壁圆管结构在稳态均匀温度场作用下相对应的轴向变形量。

4.根据权利要求2所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，所述利用分布式光纤光栅传感器监测所述薄壁圆管结构所受热载荷响应信号，将所述响应信号代入轴向热变形计算模型，计算薄壁圆管结构轴向热变形具体指：

基于所述模型，建立初始无热载荷作用时薄壁圆管结构轴向坐标系以及布置薄壁圆管结构分布式光纤传感网络，将光纤布置在薄壁圆管外表面沿轴向x＝0、x＝L₁/12、x＝L₁/6以及轴线中点处；假设薄壁圆管初始温度为T₀，并记录该温度下各光纤光栅传感器的初始中心波长，薄壁圆管放置在均匀温度场中，分别记录每根光纤光栅传感器中心波长；将各光纤光栅传感器中心波长偏移量转换成热应变，并代入所述轴向热变形计算模型，得到稳态均匀温度场作用下薄壁圆管结构轴向热变形：

${\mathrm{\ΔL}}_1=\frac{5L_1}{6}(\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{18}+\frac{2{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{9}+\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}{18}+\frac{2{\mathrm{\Δ\λ}}_4}{3});$

其中，Δλ₁、Δλ₂、Δλ₃、Δλ₄为各光纤光栅传感器中心波长偏移量。

5.根据权利要求1所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，该方法用于对稳态非均匀温度场薄壁圆管结构轴向热变形光纤监测，所述的采用仿真方法对薄壁圆管结构的轴向热变形相关特征参量进行数值模拟，根据模拟结果给出薄壁圆管结构轴向热变形计算方法具体为：

步骤一：采用仿真方法对稳态非均匀温度场的薄壁圆管结构的热变形以及应变进行模拟分析，得到沿薄壁圆管结构轴向路径的热变形以及应变；

步骤二：建立薄壁圆管轴向坐标系x，所述在稳态非均匀温度场作用下薄壁圆管结构沿轴线方向管壁外表面上任意一点热应变与该点的轴向位置坐标之间的关系：

$\mathrm{\ϵ}\left(x\right)=a_2+b_2{e}^{c_{2}x},$

其中，系数a₂，系数b₂和系数c₂，具体表达式如下：

$a_2=\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_{r{2}^{\′}}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_{r{1}^{\′}}{\mathrm{\ϵ}}_{r{3}^{\′}}}{2{\mathrm{\ϵ}}_{r{2}^{\′}}-({\mathrm{\ϵ}}_{r{1}^{\′}}+{\mathrm{\ϵ}}_{r{3}^{\′}})};$

$b_2={\mathrm{\ϵ}}_{r{1}^{\′}}\frac{{{\mathrm{\ϵ}}_{r{2}^{\′}}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_{r{1}^{\′}}{\mathrm{\ϵ}}_{r{3}^{\′}}}{2{\mathrm{\ϵ}}_{r{2}^{\′}}-({\mathrm{\ϵ}}_{r{1}^{\′}}+{\mathrm{\ϵ}}_{r{3}^{\′}})};$

$c_2=\frac{2}{L_2}In\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{r{3}^{\′}}-a_2}{{\mathrm{\ϵ}}_{r{2}^{\′}}-a_2}.$

其中，ε_r1′、ε_r2′、ε_r2′分别为薄壁圆管外表面沿轴向x＝0、x＝L₂/2、x＝L₂处相对应的热应变，L₂为薄壁圆管的长度。

6.根据权利要求5所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，所述利用分布式光纤光栅传感器监测所述薄壁圆管结构所受热载荷响应信号，将所述响应信号代入轴向热变形计算模型，计算薄壁圆管结构轴向热变形具体为：

基于所述模型，建立初始无热载荷作用时薄壁圆管结构轴向坐标系以及布置薄壁圆管结构分布式光纤传感网络，将光纤布置在薄壁圆管外表面沿轴向x＝0、x＝L₂/2、x＝L₂处，并在各位置的设置补偿光纤光栅传感器；假设薄壁圆管初始温度为T₀，并记录该温度下各光纤光栅传感器初始中心波长，薄壁圆管放置在非均匀温度场中。在非均匀温度载荷作用下，分别记录每根光纤光栅传感器中心波长；将各光纤光栅传感器中心波长偏移量代入轴向热变形计算模型，得到薄壁圆管结构轴向热变形为：

${\mathrm{\ΔL}}_2=a_2{L}_2-\frac{b_2}{c_2}+\frac{b_2}{c_2}{e}^{c_2{L}_2},$

其中，

b₂＝(Δλ₆-Δλ₉)/1.2-a₂；

$c_2=\frac{2}{L_2}In\frac{({\mathrm{\Δ\λ}}_8-{\mathrm{\Δ\λ}}_{11})/1.2-a_2}{({\mathrm{\Δ\λ}}_7-{\mathrm{\Δ\λ}}_{10})/1.2-a_2}.$

其中，Δλ₆、Δλ₇、Δλ₈、Δλ₉、Δλ₁₀、Δλ₁₁为各光纤光栅传感器中心波长偏移量，ΔL₂为薄壁圆管轴向热变形的长度。

7.根据权利要求1所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，该方法用于对稳态非均匀温度场环境下薄壁圆管结构轴向热变形光纤监测，所述的采用仿真方法对薄壁圆管结构的轴向热变形相关特征参量进行数值模拟，根据模拟结果给出薄壁圆管结构轴向热变形计算方法具体为：

步骤一：采用仿真方法对稳态非均匀温度场的薄壁圆管结构的热变形以及应变进行模拟分析，得到沿轴向路径薄壁圆管结构外表面的热变形及温度分布；

步骤二：建立薄壁圆管轴向坐标系x，稳态非均匀温度场作用下薄壁圆管结构外表面沿轴线方向上任意位置的温度值与该点的轴向坐标之间的关系表达式为：

$T\left(x\right)=a_3+b_3{e}^{c_{3}x}$

其中，系数a₃，系数b₃和系数c₃，具体表达式如下：

$a_3=\frac{{T_2}^2-T_1{T}_3}{2T_2-(T_3+T_1)}$

$b_3=T_1-\frac{{T_2}^2-T_1{T}_3}{2T_2-(T_3+T_1)}$

$c_3=\frac{2}{L_3}In\frac{T_3-a_3}{T_2-a_3}$

其中，T₁、T₂、T₃分别为薄壁圆管外壁轴向为x＝0、x＝L₃/2、x＝L₃处的温度值，L₃为薄壁圆管的长度。

8.根据权利要求7所述的薄壁圆管结构轴向热变形计算方法，其特征在于，所述利用分布式光纤光栅传感器监测薄壁圆管结构所受热载荷响应信号，将所述响应信号代入轴向热变形计算模型，计算薄壁圆管结构轴向热变形具体指：

基于所述模型，建立初始无热载荷作用时薄壁圆管结构轴向坐标系以及布置薄壁圆管结构分布式光纤传感网络，将光纤布置在薄壁圆管外表面沿轴向x＝0、x＝L₃/2、x＝L₃处；假设薄壁圆管初始温度为T₀，并记录该温度下各光纤光栅传感器初始中心波长，薄壁圆管放置在非均匀温度场中。在非均匀温度载荷作用下，分别记录每根光纤光栅传感器中心波长，将各光纤光栅传感器中心波长偏移量转换为薄壁圆管的温度代入轴向热变形计算模型，得到薄壁圆管结构轴向热变形为：

${\mathrm{\ΔL}}_3={\mathrm{\αL}}_3(a_3-T_0)-\frac{{\mathrm{\αb}}_3{L}_3}{c_3}{e}^{c_3{L}_3}$

其中，

$b_3=T_1-\frac{{T_2}^2-T_1{T}_3}{2T_2-(T_3+T_1)};$

$c_3=\frac{2}{L_3}In\frac{T_3-a_3}{T_2-a_3}.$

其中，T₁＝Δλ₁₂/10+T₀、T₂＝Δλ₁₃/10+T₀、T₃＝Δλ₁₄/10+T₀，Δλ₁₂、Δλ₁₃、Δλ₁₄为各光栅传感器中心波长偏移量，ΔL₃为薄壁圆管的热变形长度。