鈦熱交換器脹焊接頭脹接殘余接觸壓力模擬計(jì)算

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(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

鈦熱交換器脹焊接頭脹接殘余接觸壓力模擬計(jì)算

姚興安，王海峰

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816)

通過非線性有限元方法，對TA2換熱管與TA2-Q345R復(fù)合管板的連接接頭進(jìn)行了脹焊模擬，得到了4種脹焊接頭接觸面殘余接觸壓力分布。計(jì)算結(jié)果表明，不開槽接頭在接觸面兩端殘余接觸壓力較高，開槽接頭在脹接區(qū)域一端及開槽處殘余接觸壓力較高，并且受到周圍管孔的影響，殘余接觸壓力的環(huán)向分布不均勻。在不開槽的情況下，先焊后脹的殘余接觸壓力要高于先脹后焊的殘余接觸壓力。在開槽情況下，先焊后脹的殘余接觸壓力與先脹后焊的殘余接觸壓力基本近似，且遠(yuǎn)大于不開槽脹焊接頭的殘余接觸壓力。

熱交換器； 鈦管； 復(fù)合管板； 脹焊接頭； 殘余接觸壓力

鈦和鈦合金是一種新興的、有發(fā)展前途的金屬材料之一，具有相對密度低、強(qiáng)度高及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、輕工、冶金和電力等領(lǐng)域[1]。鈦制熱交換器具有傳熱效率高、重量輕、耐腐蝕性能好及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)異性能，比一般熱交換器具有更明顯的優(yōu)勢，提高了可靠性與使用壽命。鈦材作為換熱元件，因其耐腐蝕性能好，可通過減薄管壁來提高換熱效率，同時(shí)液體對鈦的浸潤性小，在其表面為滴狀冷凝，這種冷凝方式可以使介質(zhì)在換熱管的表面不斷更新，可以極大提高傳熱系數(shù)，再者鈦材表面光潔度高，也可大幅度降低污垢系數(shù)。因此，鈦制熱交換器在工藝領(lǐng)域如海水淡化裝置、石油化工裝置以及電力裝置得到了廣泛應(yīng)用。

目前，鈦制熱交換器的結(jié)構(gòu)形式有全鈦結(jié)構(gòu)、襯鈦結(jié)構(gòu)及鈦鋼復(fù)合板3種[2]。鈦材價(jià)格一般較高，全鈦結(jié)構(gòu)的熱交換器成本大，這種結(jié)構(gòu)較少使用。與全鈦結(jié)構(gòu)相比，襯鈦和鈦鋼復(fù)合板結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)適用，目前鈦制熱交換器管板多為鈦鋼復(fù)合板，換熱管則多為TA2工業(yè)純鈦管[3]。

1 換熱管與管板連接方式簡介

管殼式熱交換器的換熱管與管板的連接方式有脹接、焊接及脹焊并用3種。鈦制熱交換器多采用脹焊并用的連接方式，不僅可消除換熱管與管板的間隙，而且也可以保證較好的連接強(qiáng)度。按脹焊順序劃分，脹焊并用又分為先焊后脹與先脹后焊兩種，且這兩種方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，對于常規(guī)的熱交換器大多采用強(qiáng)度焊加貼脹，對重要或者使用條件苛刻的熱交換器則要求采用強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹[4]。此時(shí)，接頭的連接強(qiáng)度主要由焊縫承擔(dān)以保證有足夠的連接強(qiáng)度，而脹接的主要目的是為了消除換熱管與管板之間的間隙，以防止縫隙遭受間隙腐蝕，并且避免管子振動(dòng)對接頭產(chǎn)生的不利影響。

目前，對鈦制熱交換器脹焊接頭的脹接殘余接觸壓力的研究較少。馬秋林等人通過貼脹模擬實(shí)驗(yàn)以及管子與管板拉脫試驗(yàn)，對鈦管與鈦鋼復(fù)合管板的連接方式進(jìn)行了研究，但未著重研究脹焊接頭的脹接殘余接觸壓力[5]。焦興齊等人對TA2換熱管與TA2-16MnR復(fù)合管板接頭進(jìn)行了焊接及脹接實(shí)驗(yàn)，解決了鈦管脹焊易產(chǎn)生缺陷的問題，但未研究鈦熱交換器的接頭連接性能[6]。林金峰研究了鈦管與鋼質(zhì)管板脹接的連接性能，但未考慮脹焊接頭及采用鈦鋼復(fù)合管板結(jié)構(gòu)[7]。

GB 151—2014《熱交換器》[8]規(guī)定，對于密封性能要求高，存在間隙腐蝕傾向，承受振動(dòng)或交變載荷、使用復(fù)合管板的場合應(yīng)當(dāng)采用脹焊接頭。文中對鈦制換熱管與鈦鋼復(fù)合管板脹焊接頭的脹接殘余接觸壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對的脹焊接頭是強(qiáng)度焊+貼脹、強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹兩種方式(強(qiáng)度脹的管板孔需開槽，貼脹的管板孔不開槽)。

2 換熱管與管板焊接溫度場模擬

2.1幾何模型

鈦管規(guī)格(外徑×厚度×長度)為?25 mm×1.5 mm×150 mm，管孔直徑為25.4 mm，相鄰管孔中心距為32 mm。依據(jù)GB 151—2014 《熱交換器》，槽寬定為8 mm，槽深為0.5 mm，槽位置距管板上端面為23 mm，不脹區(qū)長度為15 mm，TA2覆層厚度為10 mm，Q345R層厚度為40 mm。

TA2換熱管與TA2+Q345R復(fù)合管板的連接結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，有限元分析采用七孔模型，見圖2。

圖1 模擬計(jì)算的脹焊接頭結(jié)構(gòu)示圖

圖2 焊接模擬幾何模型

2.2材料物理性能及有限元網(wǎng)格

考慮相變對焊接溫度場的影響，TA2和Q345R相變潛熱分別為391 kJ/kg和300 kJ/kg，固相線溫度分別為1 650 ℃和1 424 ℃，液相線溫度分別為1 704 ℃和1 505 ℃，處理材料相變通過在Ansys中輸入熱焓值。熱焓是指單位質(zhì)量或體積的物質(zhì)所含的全部熱能，是關(guān)于溫度T的函數(shù)，定義為[9]：

(1)

式中，H為熱焓，J/m3；ρ為密度，kg/m3；c為比定壓熱容，J/(kg·℃)；t為溫度，℃。

TA2板材的物理性能隨溫度變化可參見文獻(xiàn)[10]中的圖4-2，Q345R材料的物理性可參見文獻(xiàn)[11]的表2。

采用solid70單元對圖2模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，焊縫處的單元尺寸控制在1 mm以內(nèi)，不開槽有限元網(wǎng)格見圖3。

2.3焊接溫度場邊界條件

TA2換熱管與TA2+Q345R復(fù)合管板初始溫度為20 ℃。焊接模擬過程中，所有外表面均施加對流和輻射邊界條件，其中空氣的對流傳熱系數(shù)取值為13 W/(m2·K)，材料黑度為0.85。

焊接熱源采取施加生熱率的方式，即將有效的焊接熱輸入量轉(zhuǎn)換成焊縫單元在單位體積、單位時(shí)間內(nèi)的熱生成強(qiáng)度供給熱能[12]，并且采用生死單元技術(shù)來模擬焊縫的填充過程。生熱率可表示為：

(2)

式中，η為電弧熱效率，取0.5[13]；U為焊接電壓，V；I為焊接電流，A；V為焊接熱輸入作用的焊縫單元體積，m3。

文中模擬采用鎢極氬弧焊的焊接方式，焊接工藝參數(shù)[14]：焊絲直徑為2 mm，鎢極直徑為2 mm，焊接電流為80～100 A，焊接電壓為10～12 V，焊接速度為117.6 mm/min，氣體流量10～14 L/min。

圖3 焊接接頭有限元分析模型網(wǎng)格

3 換熱管與管板接頭先焊后脹的模擬計(jì)算

焊接應(yīng)力場分析時(shí)不需要重新建立有限元模型，可以直接采用焊接溫度場的有限元網(wǎng)格模型，并將熱分析采用的熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，再定義換熱管與管板材料力學(xué)屬性[15]，讀入焊接溫度場得到的節(jié)點(diǎn)溫度，并指定相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)或載荷步，設(shè)置參考溫度為20 ℃。

TA2和Q345R的力學(xué)性能分別見文獻(xiàn)[16]中的表1和文獻(xiàn)[11]中的表2。管板下邊緣以及管子下端面都施加全約束，管板上邊緣施加軸向約束。

在換熱管與管板焊接模擬的基礎(chǔ)之上進(jìn)行脹接模擬，以得到換熱管管板脹焊接頭。液壓脹接的脹接壓力比較均勻，且能精確地控制脹接壓力，即使是厚管板的全厚度脹接也可以一次性脹接，此外具有對換熱管圓度的要求不高、對換熱管的損傷較小及效率高等優(yōu)點(diǎn)[7]。

本文脹接模擬采用液壓脹接，脹接的邊界條件是管板下邊緣以及管子下端面都施加全約束，管板上邊緣施加軸向約束。脹接壓力取280 MPa，換熱管管板的接觸采用Contac174和Targe170單元，摩擦因數(shù)取0.2。

液壓脹接是利用液體壓力作用于換熱管內(nèi)表面，使之產(chǎn)生大的塑性變形而與管板孔發(fā)生接觸并依靠卸除壓力后的殘余接觸壓力使管子與管板達(dá)到緊密連接。因此，脹接模擬分為兩步，第一步施加脹接壓力，第二步卸載脹接壓力。

3.1強(qiáng)度焊+貼脹

3.1.1接頭殘余接觸壓力

強(qiáng)度焊+貼脹接頭的殘余接觸壓力計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 先強(qiáng)度焊后貼脹接頭殘余接觸壓力分布

從圖4可以看出，先強(qiáng)度焊后貼脹接頭的平均殘余接觸壓力為8.035 MPa。殘余接觸壓力在脹接區(qū)域兩端比較高，中間區(qū)域殘余接觸壓力比較低一些。由于周圍管孔的影響，殘余接觸壓力在周向分布極不均勻。

鈦的彈性模量是普通鋼材的一半左右，并且屈服強(qiáng)度較高，脹接后鈦管的回彈量比Q345R材料管板的回彈大，所以不能得到較高的殘余接觸壓力。為了對鈦管與鈦鋼管板的殘余接觸壓力分布有更好的了解，在脹接區(qū)域上端定義A-A路徑，在脹接區(qū)域最下端定義B-B路徑(圖4)，這兩條路徑的殘余接觸壓力分布示意圖見圖5。

圖5 先強(qiáng)度焊后貼脹接頭密封帶周向殘余接觸壓力分布

從圖5可以看出，這兩條密封環(huán)帶上的殘余接觸壓力沿周向分布不均，但平均殘余接觸壓力值較高，使得換熱管管板脹焊接頭的脹接段保持較好的密封性。A-A密封環(huán)帶的最小殘余接觸壓力值為12.837 MPa，B-B密封帶最小殘余接觸壓力為17.803 MPa。

3.1.2接頭殘余應(yīng)力

強(qiáng)度焊+貼脹接頭的殘余應(yīng)力云圖見圖6。

圖6 先強(qiáng)度焊后貼脹接頭殘余應(yīng)力云圖

由圖6可知，最危險(xiǎn)部位在中心管與管板接頭的焊縫附近處，殘余應(yīng)力最大值為444.518 MPa。

為了更加了解焊縫危險(xiǎn)處的殘余應(yīng)力，在最大應(yīng)力處沿著徑向方向經(jīng)過焊縫的表面定義了一條路徑M-M(圖6)，此路徑上的殘余應(yīng)力分布曲線見圖7。

圖7 先強(qiáng)度焊后貼脹接頭路徑M-M上殘余應(yīng)力分布曲線

由圖7可知，換熱管內(nèi)壁的一點(diǎn)殘余應(yīng)力最大，數(shù)值為444.52 MPa，隨著離換熱管內(nèi)壁徑向距離的擴(kuò)大，殘余應(yīng)力逐漸降低，最小值為104.14 MPa。

3.2強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹

3.2.1接頭殘余接觸壓力

強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹接頭的殘余接觸壓力分布情況見圖8。

圖8 先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹接頭殘余接觸壓力分布

從圖8可知，整個(gè)先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹接頭的平均殘余接觸壓力為12.565 MPa。與先強(qiáng)度焊后貼脹接頭不同，有3條密封環(huán)帶，其中兩條較高接觸壓力的密封環(huán)帶分別位于脹接一端及開槽的位置。由于周圍管孔的影響，殘余接觸壓力在周向分布極不均勻。

為了對鈦管與鈦鋼管板的殘余接觸壓力分布有更好的了解，在兩條高接觸壓力密封環(huán)帶分別定義路徑C-C和D-D(圖8)，對這兩條路徑進(jìn)行分析的殘余接觸壓力分布見圖9。

圖9 先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹接頭密封帶周向殘余接觸壓力分布

由圖9可知，兩條密封環(huán)帶的殘余接觸壓力分布近似，殘余接觸壓力在65 MPa上下波動(dòng)，但C-C密封環(huán)帶的殘余接觸壓力比D-D的稍高。對于C-C密封帶，最小的殘余接觸壓力56.541 MPa；對于D-D密封環(huán)帶，最小的殘余接觸壓力為48.128 MPa。

3.2.2接頭殘余應(yīng)力

強(qiáng)度焊+強(qiáng)度脹接頭殘余應(yīng)力云圖見圖10。

圖10 先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹接頭殘余應(yīng)力云圖

由圖10可以知道，接頭的最危險(xiǎn)部位不在中心管與管板接頭焊縫附近處，殘余應(yīng)力最大值為388.988 MPa。

為了更加了解焊縫處的殘余應(yīng)力，在最大應(yīng)力處沿著徑向方向經(jīng)過焊縫表面定義了一條路徑N-N(圖10)，此路徑上的殘余應(yīng)力分布曲線見圖11。

圖11 先強(qiáng)度焊后強(qiáng)度脹接頭路徑N-N上殘余應(yīng)力分布曲線

由圖11可知，殘余應(yīng)力在路徑上先增大后減小，在焊縫表面上一點(diǎn)殘余應(yīng)力最大，最大值為365.3 MPa，最小值為176 MPa。

4 換熱管與管板接頭先脹后焊的模擬計(jì)算

先脹后焊應(yīng)力分析方法如下：①采用焊接溫度場的有限元網(wǎng)格模型，并將熱分析采用的熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，再設(shè)置結(jié)構(gòu)分析的材料屬性。②采用單元生死技術(shù)，殺死焊縫單元，并建立換熱管與管板的接觸，進(jìn)行脹接模擬，脹接壓力取280 MPa。③采用順序耦合求解方式，按照焊接歷程依次激活焊縫單元，模擬焊縫的填充。然后讀入焊接溫度場得到的節(jié)點(diǎn)溫度，進(jìn)行先脹后焊的模擬計(jì)算。④應(yīng)力場邊界條件與先焊后脹接頭的一致，管板下邊緣以及管子下端面都施加全約束，管板上邊緣施加軸向約束。

4.1貼脹+強(qiáng)度焊

4.1.1接頭殘余接觸壓力

貼脹+強(qiáng)度焊接頭的殘余接觸壓力分布云圖見圖12。

圖12 先貼脹后強(qiáng)度焊接頭焊后殘余接觸壓力分布

由圖12可知，在脹接區(qū)域兩端有兩條高接觸壓力密封環(huán)帶。焊后整個(gè)接頭的平均殘余接觸壓力為6.714 MPa。

為了對鈦管與鈦鋼管板的焊后接觸壓力分布有更好的了解，在脹接區(qū)域上端定義E-E路徑，在脹接區(qū)域最下端定義F-F路徑(圖12)，這兩條路徑的殘余接觸壓力分布情況見圖13。

圖13 先貼脹后強(qiáng)度焊接頭密封帶殘余接觸壓力分布

從圖13可以看出，這兩條密封環(huán)帶上的殘余接觸壓力沿周向分布不均，但平均殘余接觸壓力值較高，使得換熱管管板脹焊接頭的脹接段保持較好的密封性。E-E密封環(huán)帶的最小殘余接觸壓力值為8.278 MPa，F(xiàn)-F密封帶的最小殘余接觸壓力則為13.435 8 MPa。

4.1.2接頭殘余應(yīng)力

貼脹+強(qiáng)度焊接頭殘余應(yīng)力云圖見圖14。

圖14 先貼脹后強(qiáng)度焊接頭殘余應(yīng)力云圖

由圖14可知，接頭最危險(xiǎn)部位在中心管與管板接頭焊縫附近處，殘余應(yīng)力最大值為574.961 MPa。為了更加了解焊縫危險(xiǎn)處的殘余應(yīng)力，在焊縫最大應(yīng)力處沿著徑向方向定義了一條路徑W-W(圖14)，此路徑上的殘余應(yīng)力分布情況見圖15。

圖15 先貼脹后強(qiáng)度焊接頭路徑W-W上殘余應(yīng)力分布曲線

由圖15可以知道，在換熱管內(nèi)壁的一點(diǎn)殘余應(yīng)力最大，數(shù)值為574.961 MPa。隨著距離換熱管內(nèi)壁徑向距離的擴(kuò)大，殘余應(yīng)力逐漸降低，最小值為66.673 MPa。

4.2強(qiáng)度脹+強(qiáng)度焊

4.2.1接頭殘余接觸壓力

強(qiáng)度脹+強(qiáng)度焊接頭的殘余接觸壓力分布云圖見圖16。

圖16 先強(qiáng)度脹后強(qiáng)度焊接頭焊后殘余接觸壓力分布

從圖16中可知，整個(gè)先強(qiáng)度脹后強(qiáng)度焊接頭的平均殘余接觸壓力為11.719 MPa。與先貼脹后強(qiáng)度焊接頭不同，有3條密封環(huán)帶，其中兩條較高接觸壓力的密封環(huán)帶分別位于脹接一端及開槽的位置。由于周圍管孔的影響，殘余接觸壓力在周向分布極不均勻。

為了對鈦管與鈦鋼管板的殘余接觸壓力分布有更好的了解，在兩條高接觸壓力密封環(huán)帶分別定義路徑G-G和路徑H-H(圖16)，這兩條路徑的殘余接觸壓力分布情況見圖17。

圖17 先強(qiáng)度脹后強(qiáng)度焊接頭密封帶殘余接觸壓力分布

由圖17可知，兩條密封環(huán)帶的殘余接觸壓力分布近似，殘余接觸壓力在65 MPa上下波動(dòng)，但G-G密封環(huán)帶的殘余接觸壓力比H-H稍高。對于G-G密封帶，最小的殘余接觸壓力53.509 MPa；對于H-H密封環(huán)帶，最小的殘余接觸壓力為48.358 MPa。

4.2.2接頭焊后殘余應(yīng)力

強(qiáng)度脹+強(qiáng)度焊接頭殘余應(yīng)力云圖見圖18。

圖18 先強(qiáng)度脹后強(qiáng)度焊接頭殘余應(yīng)力云圖

由圖18可知，接頭最危險(xiǎn)部位不在中心管與管板接頭焊縫附近處，殘余應(yīng)力的最大值為391.074 MPa。

為了更加了解焊縫處的殘余應(yīng)力，在焊縫最大應(yīng)力處沿徑向方向經(jīng)過焊縫表面定義了一條路徑U-U(圖18)，此路徑上的殘余應(yīng)力分布曲線見圖19。

圖19 先強(qiáng)度脹后強(qiáng)度焊接頭路徑U-U上殘余應(yīng)力分布曲線

由圖19可知，殘余應(yīng)力在路徑上先增大后減小，在焊縫表面上一點(diǎn)殘余應(yīng)力最大，最大值為356.55 MPa，最小值為192.9 MPa。

5 4種鈦脹焊接頭脹接殘余接觸壓力的比較[17-20]

改變脹接壓力，得到開槽、不開槽的先焊后脹接頭與先脹后焊接頭殘余接觸壓力隨脹接壓力變化的規(guī)律，見圖20。從圖20可知，不開槽脹焊接頭殘余接觸壓力隨脹接壓力增加而增加，且先焊后脹接頭殘余接觸壓力比先脹后焊接頭殘余接觸壓力要高。

開槽后的脹焊接頭殘余接觸壓力大小相近，且先脹后焊接頭在脹接壓力達(dá)到270 MPa后產(chǎn)生過脹，導(dǎo)致脹接殘余接觸壓力降低。

研究結(jié)果表明，當(dāng)采用相同工藝參數(shù)且僅改變脹焊順序時(shí)，不開槽先焊后脹接頭的脹接段密封性能優(yōu)于先脹后焊接頭，而開槽先焊后脹接頭的脹接段密封性能與先脹后焊接頭的基本近似，并且開槽的脹焊接頭殘余接觸壓力遠(yuǎn)大于不開槽的脹焊接頭殘余接觸壓力。

圖20 脹焊接頭接觸面平均殘余接觸壓力隨脹接壓力的變化

6 結(jié)論

(1)通過非線性有限元法，對TA2換熱管與TA2-Q345R復(fù)合管板連接接頭進(jìn)行了脹焊模擬(包括開槽、不開槽、先焊后脹、先脹后焊)，得到了4種脹焊接頭接觸面殘余接觸壓力分布。結(jié)果表明，不開槽的脹焊接頭接觸面兩端殘余接觸壓力較高，開槽的脹焊接頭在脹接一端及開槽處殘余接觸壓力較高。受周圍管孔的影響，殘余接觸壓力的環(huán)向分布不均勻。

(2)通過對4種接頭的脹接殘余接觸壓力的比較后發(fā)現(xiàn)，脹接殘余接觸壓力隨脹接壓力升高而升高，且在不開槽情況下，先焊后脹接頭的殘余接觸壓力要高于先脹后焊接頭的，即先焊后脹接頭脹接段的密封性要好于先脹后焊接頭脹接段的密封性。

(3)在開槽情況下，先焊后脹接頭的殘余接觸壓力與先脹后焊接頭的基本近似，且遠(yuǎn)大于不開槽脹焊接頭的殘余接觸壓力。

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(許編)

StudyonResidualContactStressforTitanium-madeHeat-exchangerJointMadebyExpansionandWelding

YAOXing-an,WANGHai-feng

(College of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech. University, Nanjing 211816, China)

By nonlinear finite element method, simulation of expansion and welding for connection joint of TA2 tube and TA2-Q345R composite tubesheet was carried out and distribution of residual contact pressure for four kinds of joints made by expansion and welding was obtained. The study shows that the residual contact pressure of the ungrooved joint is higher at both ends of the contact surface. But grooved joint of the residual contact pressure is higher at one end of contact surface and at the grooved position. And the residual contact pressure is not uniform in the circumferential distribution due to the effect of tubesheet holes. In case of no groove, the residual contact pressure of the joint made by expansion after welding is higher than the joint made by welding after expansion. In case of groove, the residual contact pressure of the joint made by expansion after welding is close to the joint made by welding after expansion, and the residual contact pressure of joints with groove is much higher than that of joints without groove.

heat-exchanger; titanium tube; composite tubesheet; joint made by welding and expansion; residual contact pressure

2016年度南京工業(yè)大學(xué)人才計(jì)劃培育項(xiàng)目(自然科學(xué))；2016年度南京工業(yè)大學(xué)教育改革研究課題

TQ050.1；TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.01.003

1000-7466(2017)01-0012-08

2016-08-28

姚興安(1990-)，男，江蘇揚(yáng)州人，在讀碩士研究生，主要從事過程設(shè)備設(shè)計(jì)與制造方面的研究。