熱應力專題-間接法熱應力分析-以保溫管道為例

2017-03-11 by:CAE仿真在線來源:互聯網

導讀:

利用間接法計算熱應力,首先進行熱分析,然后將求得的節點溫度作為體載荷施加在結構應力分析中。熱分析可以是瞬態的,也可以是穩態的,當熱分析是瞬態時,需要找到溫度梯度最大的時間點,并將該時間點的結構溫度場作為體載荷施加到結構上。

由于間接法可以使用所有熱分析和結構分析的功能,所以對大多數情況都推薦使用該方法。

一、問題描述

某液體管路內部通有液體,外部包有保溫層,保溫層與空氣接觸,圖中尺寸單位mm。已知管路由鑄鐵制造,其導熱系數為70 W/(m·℃),彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3,熱膨脹系數為1.2×10-5/℃;保溫層的導熱系數為0.02 W/(m·℃),彈性模量為20 GPa,泊松比為0.4,熱膨脹系數為1.2×10-5/℃;管路內液體壓力0.3 MPa,溫度為70 ℃,對流換熱系數為1 W/(m2·℃);空氣溫度為-40 ℃,對流換熱系數為0.5 W/(m2·℃)。試分析管路內熱應力情況。

問題分析:根據結構的對稱性,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(環向)。熱分析用PLANE77熱單元,結構應力分析用PLANE183單元。

計算結果:有保溫層,熱分析后管道的溫度為45.1℃。內壓與溫差作用下,應力見各向應力云圖、第三強度和第四強度相當應力云圖。

管道+保溫層的軸對稱單元

管道的軸對稱單元

管道+保溫層的溫度云圖

管道溫度云圖

管道徑向應力

管道周向應力

管道軸向應力

熱應力專題-間接法熱應力分析-以保溫管道為例ansys workbanch圖片10

第三強度相當應力

熱應力專題-間接法熱應力分析-以保溫管道為例ansys workbanch圖片11

第四強度相當應力

二、GUI步驟

(一)熱分析

1.進入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Len=1→ Accept→ Selection輸入D1=0.28→ Accept→ Selection輸入D2=0.30→ Accept→ Selection輸入D3=0.40→ Accept→ Close。

3.設置計算類型

Main Menu> Preferences→選擇Structural→ OK。

4.定義單元屬性

(1)定義單元類型

①Main Menu> Preprocessor>Element Type> Add/ Edit/ Delete→ Add→ 選擇PLANE77單元,即在左列表框中選擇Thermal Solid,在右列表框中選擇8 node 77→ OK。

熱應力專題-間接法熱應力分析-以保溫管道為例ansys workbanch圖片12

②單元選項設置:選中PLANE77單元→ Option→ K3:Axisymmetric→ OK→ Close。

(2)設置材料屬性

①管道材料的導熱系數:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ Thermal→ Conductivity → Isotropic→ KXX:70→ OK。

②保溫層材料的導熱系數:Material→ New Model→ Define Material ID: 2→Thermal→ Conductivity → Isotropic→ KXX:0.02→ OK。

5.建立幾何模型

①Main Menu>Preprocessor> Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions→X1, X2和Y1, Y2中分別輸入D1/2,D2/2和0,Len1。

②Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Areas> Rectangle> By Dimensions→ X1, X2和Y1, Y2分別輸入D2/2,D3/2和0,Len1。

6.黏接面

①Main 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。

7.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> Numbering Ctrls> Compress Numbers→ 選擇ALL→ OK。壓縮編號使其無中間空號。

③鼠標放在屏幕中→ 單擊右鍵→ Replot。

8.設置線的份數

(1)設置軸向長度線的份數

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設置線的份數:Main Menu> Preprocessor>Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:20→ OK。

(2)設置管道徑向線的份數

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設置線的份數:Main Menu> Preprocessor>Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:4→ OK。

(3)設置保溫層徑向線的份數

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設置線的份數:Main Menu> Preprocessor>Meshing> MeshTool→ 在Size Controls下方選Lines:Set→ Pick All→ NDIV:6→ OK。

9.設置面的單元屬性

(1)設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, X coordinates, 輸入D1/2, D2/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。

②指定面的單元屬性:在Mesh Tool的Element Attributes下方選擇Areas Set→ Pick All→ OK→ 選擇MAT: 1,TYPE: 1 → OK。

(2)設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, X coordinates, 輸入D2/2, D3/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。

②指定面的單元屬性:在Mesh Tool的Element Attributes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。

10.劃分網格

(1)劃分網格:Main Menu> Preprocessor>Meshing> Mesh Tool→ Areas, Quad, Mapped→ Mesh→ Pick All→ OK。

(2)打開單元材料編號:Utility Menu> 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Thermal_mesh.db。

11.施加邊界條件

(1)進入求解器:Main Menu> Solution

(2)管道內表面邊界條件

①選擇管道內表面節點: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施加對流傳熱系數和液體溫度:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Convection> On Nodes→ VALI:1(對流傳熱系數),VAL2I:70(液體溫度)→ OK。

(2)保溫層外表面邊界條件

①選擇管道內表面節點: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施加對流傳熱系數和空氣溫度:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Thermal> Convection>On Nodes→ VALI:0.5(對傳傳熱系數),VAL2I:-40(空氣溫度),見圖5.7→ OK。

12.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Thermal_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Thermal_Solve.db。

13.通用后處理,查看溫度分布

(1)進入通用后處理器:Main Menu> General Postproc。

(2)查看溫度分布云圖:Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu→ Nodal Solution→ DOF Solution→ Nodal Temperature→ OK。

(二)結構應力分析

1.轉換單元類型

(1)進入前處理器:Main Menu> Preprocessor

(2)將熱單元轉換成軸對稱結構單元

①將熱單元轉換成結構單元:Main Menu> Preprocessor>Element Type> Switch Elem Type→ 選擇Thermal to struc→ OK。

②單元選項設置:Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/ Edit/ Delete→ 選中PLANE183單元→ Option→ K3:Axisymmetric(軸對稱)→ OK→ Close。

2.設置材料屬性

(1)管道的材料屬性

①管道彈性模量和泊松比:Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 1→ Structural→ Linear→ Elastic→ Isotropic→ EX: 2.0E11,PRXY: 0.3→ OK。

②管道熱膨脹系數:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 2→ Structural→ Thermal Expansion→ Secant Coefficient→ Isotropic→ALPX:1.2E-5,→ OK。

(2)保溫層的材料屬性

①保溫層彈性模量和泊松比:Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 2→ Structural→Linear→ Elastic → Isotropic → EX: 0.2E11,PRXY: 0.4→ OK。

②保溫層熱膨脹系數:Main Menu> Preprocessor>Material Props> Material Models→ 選中Material Model Number 1→ Structural→ Thermal Expansion→ Secant Coefficient→ Isotropic→ALPX:1.2E-5→OK。

3.邊界條件

(1)進入求解器:Main Menu> Solution

(2)管道內表面施加內壓

①選擇管道內表面節點:Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Xcoordinates, 輸入D1/2, From Full→ Apply→ Plot → OK。

②施加壓力:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>Pressure> On Nodes→ VALUE:0.3E6。

(3)約束兩端UY

①選擇兩端節點:Utility Menu> Select> Entities→ 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Y coordinates, 輸入0, From Full→ Apply→ Plot → 從上往下依次選擇Nodes, By Location, Y coordinates, 輸入Len1, Also Select→ Apply→ Plot→ OK。

②施加UY約束:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural>Displacement> On Nodes→ Lab2:UY→ OK。

(4)施加溫度體載荷

①選擇所有:Utility Menu> Select>Everything。從溫度結果文件中讀入溫度體載荷前,務必選擇所有。

②從溫度結果文件中讀入溫度體載荷:Main Menu> Solution> Define Loads> Apply> Structural> Temperature> From Therm Analy→ Browse→ 選中file.rth(溫度結果文件)→ OK。重要步驟!

4.設置參考溫度

Main Menu> Solution> Define Loads> Settings> Reference Temp→ TREF:20 → OK。

5.求解

(1)求解前保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Struc_Load.db。

(2)開始求解計算:Main Menu> Solution> Slove>Current LS→ File> Close→ OK→ [Sloutionis done]: Close,完成求解計算。

(3)求解后保存模型:Utility Menu> File> Saveas→ 輸入Struc_Solve.db。

7.通用后處理

(1)進入通用后處理:Main Menu> General Postproc。

(2) 3/4軸對稱:Utility Menu> PlotCtrls> Style> Symmetry Expansion> 2D Axi-Symmetric→3/4 expansion→ OK。軸對稱擴展后調整視圖,立體顯示。

(3) 管道的應力云圖

①選擇管道面:Utility Menu> Select> Entities→從上往下依次選擇Areas, By Location, X coordinates, 輸入D1/2, D2/2, From Full→ Apply→ Plot→ OK。

②選擇管道的單元:Utility Menu>Select>Everything Below>Selected Areas。面之下包括了面、線、關鍵點,還有面的單元和節點。

③應力云圖:Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot>Nodal Solu

A.云圖顯示徑向、軸向、環向應力:

→ X-Component of stress→Apply。徑向應力,云圖中的符號為SX。

→ Y-Component of stress→Apply。軸向應力,云圖中的符號為SY。

→ Z-Component of stress→Apply。周向應力,云圖中的符號為SZ。

B.云圖顯示第三強度相當應力:→ Stress intensity→ Apply。云圖中的符號為SINT。

C.云圖顯示第四強度相當應力:→ von Mise stress→ OK。云圖中的符號為SEQV。

三、ADPL步驟

Len1=0.5 !參數化管道長度

D1=0.28 !參數化管道內直徑

D2=0.30 !參數化管道外直徑

D3=0.40 !參數化保溫層外直徑

/PREP7 !進入前處理器

ET,1,PLANE77 !平面熱單元

KEYOPT,1,3,1 !軸對稱

MP,KXX,1,70 !導熱系數1

MP,KXX,2,0.02 !導熱系數2

RECTANG,D1/2,D2/2,0,Len1 !矩形面

RECTANG,D2/2,D3/2,0,Len1 !矩形面

AGLUE,ALL !黏結

/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

LSEL,S,LENGTH,,D2/2-D1/2 !管道徑向線

LESIZE,all,,,4,,,,,1 !單元份數

LSEL,S,LENGTH,,D3/2-D2/2 !保溫層徑向線

LESIZE,all,,,6,,,,,1 !單元份數

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 !映射網格

MSHAPE,0 !四邊形網格

AMESH,ALL !分網

FINISH !退出前處理器

/SOLU !進入求解器

NSEL,S,LOC,X,D1/2 !選擇節點

SF,ALL,CONV,1,70 !對流系數、溫度

NSEL,S,LOC,X,D3/2 !選擇節點

SF,ALL,CONV,0.5,-40 !對流系數、溫度

ALLSEL,ALL !選擇所有

SOLVE !求解

FINISH !退出求解器

/POST1 !后處理

PLNSOL, TEMP,, 0 !溫度云圖

FINISH !退出后處理器

/PREP7 !進入前處理器

ETCHG,TTS !熱→結構單元

KEYOPT,1,3,1 !軸對稱

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

MP,EX,2,0.2E11 !彈性模量

MP,NUXY,2,0.4 !泊松比

MP,ALPX,2,1.2E-6 !熱膨脹系數

FINISH !退出前處理器

/SOLU !進入求解器

NSEL,S,LOC,X,D1/2 !選擇節點

SF,ALL,PRES,0.3E6 !內壓

NSEL,S,LOC,Y,0 !選擇右端節點

NSEL,A,LOC,Y,Len1 !選擇左端

D,ALL,UY !兩端約束UY

ALLSEL,ALL !選擇所有

LDREAD,TEMP,,,,,,RTH !結果文件中讀入溫度體載荷

TREF,20 !參考溫度

ALLSEL,ALL !選擇所有

SOLVE !求解

FINISH !退出求解器

/POST1 !通用后處理器

/EXPAND,27,AXIS,,,10 !擴展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 !面之下

PLNSOL, S,X, 0,1.0 !徑向應力

PLNSOL, S,Z, 0,1.0 !周向應力

PLNSOL, S,Y, 0,1.0 !軸向應力

PLNSOL, S,INT, 0,1.0 !第三強度相當應力

PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 !第四強度相當應力

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才

編輯

仿真在线:有限元分析咨询与培训中心——Ansys|Fluent|Abaqus|HFSS|SolidWorks|课程培训

熱應力專題-間接法熱應力分析-以保溫管道為例

工程項目服務

有限元培訓課程

產品設計培訓課程

CAE/CAD課程培訓成功案例

ANSYS有限元分析最新資訊

>關于我們

>鴻景恩旗下服務

>合作