搜索熱應(yīng)力專題-直接法熱應(yīng)力分析-以保溫管道為例
2017-03-11 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
導(dǎo)讀:
由于相互接觸的不同結(jié)構(gòu)體或同一結(jié)構(gòu)體的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配,在加熱或冷卻時彼此的膨脹或者收縮程度不一致,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。
熱應(yīng)力問題實際上就是熱和應(yīng)力兩個物理場之間的相互作用,故屬于耦合場分析問題。與其他耦合場的分析方法類似,ANSYS提供兩種分析熱應(yīng)力的方法:直接法和間接法。
(1)間接法:先進(jìn)行熱分析,然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。
(2)直接法:直接采用具有溫度和位移自由度的耦合單元,同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。直接法又分弱耦合和強(qiáng)耦合。
一、問題描述
某液體管路內(nèi)部通有液體,外部包有保溫層,保溫層與空氣接觸,結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。已知管路由鑄鐵制造,其導(dǎo)熱系數(shù)為70W/(m·℃),彈性模量為200GPa,泊松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃;保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02W/(m·℃),彈性模量為20GPa,泊松比為0.4,熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃;管路內(nèi)液體壓力0.3MPa,溫度為70℃,對流換熱系數(shù)為1W/(m2·℃);空氣溫度為-40℃,對流換熱系數(shù)為0.5W/(m2·℃)。試分析管路內(nèi)熱應(yīng)力情況。
問題分析:根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性,采用軸對稱單元計算。軸對稱模型在第一象限建模,對稱軸是Y軸,XYZ分別表示徑向、軸向和周向(環(huán)向)。熱力耦合單元采用PLANE223,具有溫度自由度和結(jié)構(gòu)位移自由度。采用國際單位制。
計算結(jié)果:有保溫層,熱分析后管道的溫度為45.1℃。內(nèi)壓與溫差作用下,應(yīng)力見各向應(yīng)力云圖、第三強(qiáng)度和第四強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力。計算結(jié)果與間接法一致。
二、GUI步驟
1.進(jìn)入ANSYS
程序→ ANSYS 15.0→ ANSYS Product Launcher→ 改變working directory到指定文件夾→ 在job name輸入:file。
2.定義變量
Utility Menu→ Parameters→Scalar Parameters→ Selection 輸入Len1=0.5→ Accept→ Selection輸入D1=0.28→ Accept→ Selection輸入D2=0.30→ Accept→ Selection輸入D3=0.40→ Accept→ Close。管道長度對計算結(jié)果無影響,題中是1m,本次選擇0.5m。
3.定義單元類型
(1)定義結(jié)構(gòu)耦合單元:MainMenu> Preprocessor> Element Type> Add/ Edit/ Delete→ Add→ 選擇PLANE223單元,即在左列表框中選擇Coupled Field,在右列表框中選擇Quad 8node 223→ OK。低版本選擇PLANE13,高版本選擇PLANE223。
(2)單元選項設(shè)置:選中PLANE223單元→ Option→ K1:Structural-Thermal(熱結(jié)構(gòu)耦合);K2:Weak(load vector)(弱耦合);K3: Axisymmetric (軸對稱)→ OK→ Close。
K2可選Weak(load vector)或Strong (matrix) coupling,說明如下:
A.Strong (matrix) coupling (弱耦合)– produces an unsymmetric matrix. In a linear analysis, a coupled response is achieved after one iteration.
B.Weak (load vector) coupling(強(qiáng)耦合)– produces a symmetric matrix and requires at least two iterations to achieve a coupled response.
4.設(shè)置材料屬性
(1)管道材料參數(shù):熱傳導(dǎo)系數(shù)、彈性模量和泊松比、熱膨脹系數(shù)
①熱傳導(dǎo)系數(shù):Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Thermal→ Conductivity → Isotropic→ KXX:70→ OK。
②彈性模量和泊松比:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 1→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX:2E11;PRXY:0.3→ OK。
③熱膨脹系數(shù):Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 1→ Structural→ Thermal Expansion→ Secant Coefficient→ Isotropic→ALPX:1.2E-5→OK。
(2)保溫層材料參數(shù):熱傳導(dǎo)系數(shù)、彈性模量和泊松比、熱膨脹系數(shù)
①熱傳導(dǎo)系數(shù):Material→ New Model→ DefineMaterial→ ID: 2→Thermal→ Conductivity → Isotropic→ KXX:0.02→ OK。
②彈性模量和泊松比:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 2→ Structural→ Linear→ Elastic → Isotropic → EX:0.2E11;PRXY:0.4→ OK。
③熱膨脹系數(shù):Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 2→ Structural→ Thermal Expansion→ Secant Coefficient→ Isotropic→ALPX:1.2E-5→OK。
5.建立幾何模型
(1)建立幾何面
①Main Menu>Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions→X1, X2和Y1, Y2中分別輸入D1/2,D2/2,0,Len1。
②Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions→ X1, X2和Y1, Y2分別輸入D2/2,D3/2,0,Len1。
(2)黏接面
①M(fèi)ain Menu> Preprocessor>Modeling> Operate> Booleans> Glue> Areas→ Pick All。
②將X軸朝上:Utility Menu> PlotCtrls> View Settings> Viewing Direction→ /VUP選擇X-axis up→ OK。
(3)顯示面號
①顯示面號:Utility Menu> PlotCtrls> Numbering→ /PNUM中選擇AREA→ OK。
②壓縮編號:Main Menu> Preprocessor> NumberingCtrls> Compress Numbers→ 選擇ALL→ OK。壓縮編號使其無中間空號。
③鼠標(biāo)放在屏幕中→ 單擊右鍵→ Replot。
6.設(shè)置線的份數(shù)
(1)設(shè)置軸向長度線的份數(shù)
①顯示線:Utility Menu>Plot> Lines。
②按照線長,選擇軸向長度線:Utility Menu>Select> Entities →Lines, By Length/Rad, By Length, 輸入LEN1, From Full(見下圖)→ Apply→ Replot→ OK。
③設(shè)置線的份數(shù):Main Menu>Preprocessor> Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:20→ OK。
(2)設(shè)置管道徑向線的份數(shù)
①按照線長,選擇管道徑向線:Utility Menu> Select>Entities →Lines,By Length/Rad, By Length, 輸入D2/2-D1/2, From Full→ Apply→ Replot→ OK。
②設(shè)置線的份數(shù):Main Menu>Preprocessor> Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:4→ OK。
(3)設(shè)置保溫層徑向線的份數(shù)
①按照線長,選擇管道徑向線:Utility Menu>Select> Entities →Lines, By Length/Rad, By Length, 輸入D3/2-D2/2, From Full→ Apply→ RePlot→ OK。
②設(shè)置線的份數(shù):Main Menu>Preprocessor> Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:6→ OK。
7.設(shè)置面的單元屬性
(1)設(shè)置管道面的單元屬性
①選擇管道面:Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, By Location, Xcoordinates, 輸入D1/2, D2/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。
②指定面的單元屬性:在Mesh Tool的ElementAttributes下方選擇Areas Set→ Pick All→ OK→ 選擇MAT: 1,TYPE: 1→ OK。
(2)設(shè)置保溫層面的單元屬性
①選擇保溫層面:Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, By Location, Xcoordinates, 輸入D2/2, D3/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。
②指定面的單元屬性:在Mesh Tool的ElementAttributes下方選擇Areas Set→ Pick All→ OK→ 選擇MAT: 2,TYPE: 1 → OK。
(3)選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。主菜單→ Plot→ Replot。
8.劃分網(wǎng)格
(1)劃分網(wǎng)格:Main Menu> Preprocessor>Meshing> Mesh Tool→ Areas, Quad, Mapped→ Mesh→ Pick All→ OK。
(2)打開單元材料編號:UtilityMenu> PlotCtrls> Numbering→ Elem/Attrib numbering中選擇Materrial numbers→ OK。
(3)施加邊界條件前保存模型:Utility Menu> File> Save as→ 輸入Mesh.db。
9.施加邊界條件
(1)管道內(nèi)表面邊界條件
①選擇管道內(nèi)表面節(jié)點(diǎn):Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Nodes, By Location, X coordinates,輸入D1/2, From Full→ Apply→ Plot → OK。
②施加對流傳熱系數(shù)和液體溫度:Main Menu> Solution> DefineLoads> Apply> Thermal> Convection> On Nodes→ VALI:1(對傳傳熱系數(shù)),VAL2I:70(液體溫度)→ OK。
③施加壓力:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>Pressure> On Nodes→ VALUE:0.3E6。
(2)保溫層外表面邊界條件
①選擇管道內(nèi)表面節(jié)點(diǎn):Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Xcoordinates, 輸入D3/2, From Full→ Apply→ Plot → OK。
②施加對流傳熱系數(shù)和空氣溫度:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Convection>On Nodes→ VALI:0.5(對傳傳熱系數(shù)),VAL2I:-40(空氣溫度)→ OK。
(3)約束兩端UY
①選擇兩端節(jié)點(diǎn):Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Ycoordinates, 輸入0, From Full→ Apply→ Plot → 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Ycoordinates, 輸入Len1, Also Select→ Apply→ Plot→ OK。
②施加UY約束:Main Menu>Solution> Define Loads> Apply> Structural> Displacement> OnNodes→ Lab2:UY→ OK。
10.設(shè)置參考溫度
Main Menu> Solution>Define Loads> Settings> Reference Temp→ TREF:20 → OK。
11.求解
(1)求解前選擇所有:Utility Menu> Select> Everything。
(2)求解前保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Load.db。
(3)開始求解計算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloution is done]: Close,完成求解計算。
(4)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Solve.db。
12.通用后處理
(1)進(jìn)入通用后處理:Main Menu> GeneralPostproc。
(2) 3/4軸對稱:Utility Menu> PlotCtrls> Style> Symmetry Expansion> 2D Axi-Symmetric→3/4 expansion→ OK。軸對稱擴(kuò)展后調(diào)整視圖,立體顯示。
(3)查看溫度分布云圖:Main Menu> GeneralPostproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Nodal Solution→ DOFSolution→ Nodal Temperature→ OK。
(4) 管道的應(yīng)力云圖
①選擇管道面:Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Areas, By Location, Xcoordinates, 輸入D1/2, D2/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。
②選擇管道的單元:Utility Menu>Select>EverythingBelow>Selected Areas。面之下包括了面、線、關(guān)鍵點(diǎn),還有面的單元和節(jié)點(diǎn)。
③應(yīng)力云圖:Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot>Nodal Solu
A.云圖顯示徑向、軸向、環(huán)向應(yīng)力:
→ X-Component ofstress→ Apply。徑向應(yīng)力,云圖中的符號為SX。
→ Y-Component ofstress→ Apply。軸向應(yīng)力,云圖中的符號為SY。
→ Z-Component ofstress→ Apply。周向應(yīng)力,云圖中的符號為SZ。
B.云圖顯示第三強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力:→ Stress intensity→Apply。云圖中的符號為SINT。
C.云圖顯示第四強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力:→ von Mise stress→ OK。云圖中的符號為SEQV。
三、ADPL步驟
Len1=0.5 !參數(shù)化管道長度
D1=0.28 !參數(shù)化管道內(nèi)直徑
D2=0.30 !參數(shù)化管道外直徑
D3=0.40 !參數(shù)化保溫層外直徑
/PREP7 !進(jìn)入前處理器
ET,1,PLANE13 !平面熱結(jié)構(gòu)耦合單元
KEYOPT,1,1,4 !熱結(jié)構(gòu)耦合
KEYOPT,1,3,1 !軸對稱
ET,1,PLANE223,11
KEYOPT,1,1,11 !熱結(jié)構(gòu)耦合
KEYOPT,1,2,1 !弱耦合1,強(qiáng)耦合2
KEYOPT,1,3,1 !軸對稱
MP,KXX,1,70 !導(dǎo)熱系數(shù)
MP,EX,1,2.0E11 !彈性模量
MP,NUXY,1,0.3 !泊松比
MP,ALPX,1,1.2E-5 !熱膨脹系數(shù)
MP,KXX,2,0.02 !導(dǎo)熱系數(shù)
MP,EX,2,0.2E11 !彈性模量
MP,NUXY,2,0.4 !泊松比
MP,ALPX,2,1.2E-5 !熱膨脹系數(shù)
RECTANG,D1/2,D2/2,0,Len1 !矩形面
RECTANG,D2/2,D3/2,0,Len1 !矩形面
AGLUE,ALL !黏結(jié)
/VUP,1,X !X軸朝上
/PNUM,AREA,1 !打開面號
NUMCMP,ALL !壓縮編號
LSEL,S,LENGTH,,LEN1 !軸向線
LESIZE,all,,,20,,,,,1 !單元份數(shù)
LSEL,S,LENGTH,,D2/2-D1/2 !管道徑向線
LESIZE,all,,,4,,,,,1 !單元份數(shù)
LSEL,S,LENGTH,,D3/2-D2/2 !保溫層徑向線
LESIZE,all,,,6,,,,,1 !單元份數(shù)
ASEL,S,LOC,X,D1/2,D2/2 !選擇面1
AATT,1,,1,0, !面1的單元屬性
ASEL,S,LOC,X,D2/2,D3/2 !選擇面2
AATT,2,,1,0, !面2的單元屬性
ALLSEL,ALL !選擇所有
MSHKEY,1 !映射網(wǎng)格
MSHAPE,0 !四邊形網(wǎng)格
AMESH,ALL !分網(wǎng)
FINISH !退出前處理器
/SOLU !進(jìn)入求解器
NSEL,S,LOC,X,D1/2 !選擇節(jié)點(diǎn)
SF,ALL,CONV,1,70 !對流系數(shù)1、溫度70
SF,ALL,PRES,0.3E6 !內(nèi)壓
NSEL,S,LOC,X,D3/2 !選擇節(jié)點(diǎn)
SF,ALL,CONV,0.5,-40 !對流系數(shù)0.5、溫度-40
NSEL,S,LOC,Y,0 !選擇右端節(jié)點(diǎn)
NSEL,A,LOC,Y,Len1 !選擇左端
D,ALL,UY !兩端約束UY
TREF,20 !參考溫度
ALLSEL,ALL !選擇所有
SOLVE !求解
FINISH !退出求解器
/POST1 !進(jìn)入通用后處理器
PLNSOL, TEMP,, 0 !溫度云圖
/EXPAND,27,AXIS,,,10 !擴(kuò)展3/4
/VIEW,1,1,1,1 !ISO視圖
ASEL,S,LOC,X,D1/2,D2/2 !選擇面1
ALLSEL,BELOW,AREA
PLNSOL, S,X, 0,1.0 !徑向應(yīng)力
PLNSOL, S,Z, 0,1.0 !周向應(yīng)力
PLNSOL, S,Y, 0,1.0 !軸向應(yīng)力
PLNSOL, S,INT, 0,1.0 !第三強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力
PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !第四強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力
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