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课程设计专题讲座new
计算力学课程设计
专题讲座1
热应力分析和动力学分析专题
东北石油大学
2010.7
目 录
第1章热分析和耦合分析实例
1.1冷却栅管的热分析和耦合分析
1.1.1冷却栅管的热分析
一、问题描述
本实例确定一个冷却栅的温度场分布及位移和应力分布。
如图(a)所示,一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体,管外流体为空气,管道及冷却栅材料均为不锈钢,导热系数为25.96W/m℃,弹性模量为1.93×109MPa,热膨胀系数为1.62×10-5/℃,泊松比为0.3,管内压力为6.89Mpa,管内流体温度为250℃,对流系数(膜系数)为249.23W/m2℃,外界流体(空气)温度为39℃,对流系数为62.3W/m2℃,试求解其温度和应力分布。
假定冷却栅无限长,根据冷却栅结构的对称性特点可以构造出的有限元分析简化模型如图(b)所示。
其上下边界承受边界约束,管内部承受均布压力。
(例题来源于《通用有限元分析ANSYS7.0实例精解》第385页)
图1.1.1冷却栅管道的示意简图
二、GUI操作方式
(一)定义工作文件名及工作标题
1.定义工作文件名:
UtilityMenu>File>ChangeJobname→ChangeJobname→输入文件名pipe-thermal→OK。
2.定义工作标题:
UtilityMenu>File>ChangeTitle→ChangeTitle→输入2daxisymmetricalpipe-thermalanalysis→OK。
3.关闭坐标符号的显示:
UtilityMenu>PlotCtrls>Windowcontrols>Windowoptions→Locationoftriad→NoShown→OK。
(二)定义单元类型和材料属性
1.定义单元类型。
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete→Add→在左右列表框中分别选择Thermalsolid和Quad8node77→OK。
2.设置单元选项:
ElementType→Options→Elementbehavior下拉列表框中选择Axisymmetric→OK→Close。
3.设置材料属性:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels→双击MaterialModelAvailable列表框中的Structural\Linear\Elastic\Isotropic选项→在EX和PRXY文本框中分别输入1.93e11和0.3→OK。
Thermal\Conductivity\Isotropic→KXX文本框中输入25.96→OK→Material\Exit。
(三)建立几何模型
1.创建矩形面:
MainMenu>Preprocessor>Creat>Areas>Rectangle>ByDimensions→X-coordinate中输入0.127,0.152,Y-coordinate中输入0,0.025→Apply。
在X-coordinate中输入0.127,0.304,Y-coordinate中输入0,0.006→OK。
2.面相加操作:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Add>Areas→PickAll。
3.打开线编号控制:
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering→Linenumbers→Numberingshownwith中选择Colors&numbers→OK。
4.线倒角:
MainMenu>Preprocessor>Create>Lines>LineFillet→取编号为L11和L13的线→OK→在RADFilletradius中输入0.005→OK。
5.显示线:
UtilityMenu>Plot>Line。
6.生成面:
MainMenu>Preprocessor>Creat>Areas>Arbitrary>ByLines→取编号为L2,L5和L4的线→OK。
7.面相加操作:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Add>Areas→PickAll。
(四)生成有限元模型
1.显示工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkplane。
2.打开关键点编号:
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering→选择KP→清除Linenumbers→OK。
3.平移工作平面UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint→拾取编号为10的关键点→OK。
4.旋转工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements→XY,YZ,ZXAngle→0,0,90→Apply。
5.面分解:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Divide>AreabyWorkPlane→PickAll,将面在工作平面处分为两个面。
6.打开面的编号:
UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering→选择AreaNumber复选框→OK。
7.平移工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint→拾取编号为5的关键点→OK。
8.旋转工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements→在XY,YZ,ZXAngles中输入0,90,0→OK。
9.面分解:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Divide>AreabyWorkPlane→拾取A3→OK。
10.创建关键点:
Menu>Preprocessor>Create>Keypoints>OnLineW/Ratio→拾取L3→OK→在Lineratio(0-1)中输入0.24→OK。
11.平移工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPto>Keypoint→拾取编号为12的关键点→OK。
12.旋转工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPByIncrements→在XY,YZ,ZXAngles中输入0,-90,0→OK。
13.面分解:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Divide>AreabyWorkPlane→拾取A2和A4→OK。
14.关闭工作平面:
UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkingPlane。
15.打开Pan-Zoom-Rotate工具栏:
UtilityMenu>PlotCtrls>Pan,zoom,rotate→WinZoom。
16.线相加操作:
MainMenu>Preprocessor>Operate>Booleans>Add>Lines→拾取L9和L14→Apply→拾取L7和L21→OK。
17.设置单元尺寸:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>SizeCtrls>Manulsize>GlobalSize→在SIZE中输入0.003→OK。
18.划分映射网格:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>3or4sided→拾取A1,A3,A5和A6→OK。
19.对A7划分网格:
MainMenu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Mapped>Bycorners→拾取A7→拾取编号为5,14,9和10的关键点→OK。
20.保存网格结果:
UtilityMenu>Files>Saveas→在SaveDatabaseTo下拉列表框中输入thermal-pipe-mesh.db→OK,如图1.1.2所示。
图1.1.2网格图形
(五)施加载荷及求解
1.在线上施加对流载荷:
MainMenu>Solution>Defineloads>Apply>Thermal>Convection>Onlines→拾取L2,L6,L13和L11→OK→VALI和VAL2I中分别输入62.3及39→Apply→拾取L9和L8→OK→在VALI和VAL2I中分别输入249.23及250→OK,加载后如图1.1.3所示。
图1.1.3加载图形
2.求解:
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS→File>Close→SolveCurrentLoadStep→OK→Solutionisdone→Close。
3.保存结果文件:
UtilityMenu>Files>Saveas→在SaveDatabaseTo中输入thermal-pipe-solve.db→OK。
(六)后处理
1.绘制温度分布云图:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>Nodalsolu→选择DOFsolution下的NodalTemperature→OK。
2.绘制热流量分布云图:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>Nodalsolu→选择DOFsolution下的thermalfluxvectorsum→OK。
3.绘制热梯度分布云图:
MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>Contour>PlotNodalsolu→DOFsolution下的thermalgradientvectorsum→OK。
三、命令流方式
/FILNAME,pipe-thermal,0
/TITLE,2daxisymmetricalpipe-thermalanalysis
/PREP7
ET,1,PLANE77
KEYOPT,1,1,0
KEYOPT,1,3,1!
单元行为是轴对称
!
=======================================定义材料属性
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,1.93e11
MPDATA,PRXY,1,,0.3
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,KXX,1,,25.96
!
=======================================建模
RECTNG,0.127,0.152,0,0.025,
RECTNG,0.127,0.304,0,0.006,
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-2
AADD,P51X!
布尔操作面相加
/PNUM,LINE,1!
打开线号
LFILLT,11,13,0.005,,!
做线的倒角
LPLOT!
画线
FLST,2,3,4
FITEM,2,4
FITEM,2,5
FITEM,2,2
AL,P51X!
生成任意面
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,3
AADD,P51X!
面相加
!
======================================生成有限元模型
WPSTYLE,,,,,,,,1!
显示工作平面
/PNUM,KP,1
/PNUM,LINE,0!
打开关键点好,关闭线号
KWPAVE,10!
偏移工作平面至关键点10
wprot,0,0,90!
旋转工作平面
/REPLOT,RESIZE
ASBW,2!
按照工作平面把面分解
/PNUM,AREA,1
KWPAVE,5!
偏移工作平面至关键点5
wprot,0,90,0
ASBW,3!
按照工作平面把面分解
KL,3,0.24,,!
在线3上创建一个线比率为0.24的关键点
KWPAVE,12
wprot,0,-90,0
FLST,2,2,5,ORDE,2
FITEM,2,2
FITEM,2,4
ASBW,P51X!
分割面2和面4
WPSTYLE,,,,,,,,0!
关闭工作平面
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,9
FITEM,2,14
LCOMB,P51X,,0!
线9和14相加
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,7
FITEM,2,21
LCOMB,P51X,,0!
线7和21相加
ESIZE,0.003,0,
FLST,5,4,5,ORDE,4
FITEM,5,1
FITEM,5,3
FITEM,5,5
FITEM,5,-6
CM,_Y,AREA
ASEL,,,,P51X
CM,_Y1,AREA
CHKMSH,'AREA'
CMSEL,S,_Y
MSHKEY,1
AMESH,_Y1
MSHKEY,0
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
CMDELE,_Y2!
划分面1,3,5和6
ALLSEL,ALL
AMAP,7,5,14,9,10!
对面7进行分网
!
============================施加载荷求解
FINISH
/SOL
FLST,2,4,4,ORDE,4
FITEM,2,2
FITEM,2,6
FITEM,2,11
FITEM,2,13
/GO
SFL,P51X,CONV,62.3,,39,!
在线2,6,13,11上施加对流载荷
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,8
FITEM,2,-9
/GO
SFL,P51X,CONV,249.23,,250,!
在线8,9上施加对流载荷
/STATUS,SOLU
SOLVE
!
=============================后处理
FINISH
/POST1
/EFACET,1
PLNSOL,TEMP,,0!
画节点温度
/EFACET,1
PLNSOL,TF,SUM,0!
画热流量分布云图
/EFACET,1
PLNSOL,TG,SUM,0!
画热梯度分布云图
1.1.2间接法计算冷却栅管的热应力
一、GUI操作方式
(一)恢复数据库文件
UtilityMenu>File>Resumeform→在ResumeSatabaseform中选择thermal-pipe-solve.db→OK。
如果完成1.1节且未推出ANSYS,则可省略此步骤。
(二)改变工作标题和分析类型
1.改变工作标题:
UtilityMenu>File>ChangeTitle→输入2daxisymmetricalpipethermal-stressanalysis→OK。
2.改变分析类型:
Mainmenu>Preferences→选择Structural→OK。
(三)转换单元类型及重新设计材料属性
1.删除对流边界:
Mainmenu>Preprocessor>Defineloads>Delete>AllloadData>AllSolidModLds→OK。
2.转换单元类型为结构单元:
Mainmenu>Preprocessor>ElementType>SwithElemType→选择Thermaltostruc→OK→Close。
3.设置单元为轴对称:
Mainmenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete→Options→在K3中选择Axisymmetric→OK。
4.设置材料的线膨胀系数:
Mainmenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels→双击MaterialModelAvailable→Structural\ThermalExpansion\SecantCoefficient\Isotropic→ALPX中输入1.62e-5→OK→Material>Exit。
(四)施加结构分析载荷及求解
1.施加对称边界条件:
Mainmenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C.>OnLines→拾取L19,L7,L4→Apply→L12,L17→OK。
2.显示线:
UtilityMenu>Plot>Line。
3.施加节点温度载荷:
Mainmenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Temperature>FormTempAnaly→点击Browse…→读入Pipe_thermal.rth→OK。
4.在管的内壁施加面载荷:
Mainmenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines→在VALUE中输入6.89e6→OK。
5.显示节点的温度体载荷:
UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols→选择BodyLoadSymbols为Structuraltemps→OK。
6.单元显示:
UtilityMenu>Plot>Element。
7.求解:
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS→SolveCurrentLoadStep→File>Close→SolveCurrentLoadStep→OK→Close。
8.保存结果文件:
UtilityMenu>Files>Saveas→SaveDatabaseTo中输入thermal-stress-pipe-solve.db→OK。
(五)普通后处理
1.显示变形的形状:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShaped→选择Def+undeformed→OK。
2.显示位移云图:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu,→选择DOFSolution下的Displacementvectorsum→OK。
3.显示VonMises应力分布云图:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu→选择stress下的vonMisesstress→OK。
(六)扩展后处理(针对轴对称结构)
1.绕Y方向扩展1/4:
UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SymmetryExpansion\2DAxisymmetric→选择1/4expansion→选中AlsoreflectaboutX-Zplane为yes状态→OK。
2.转化视角:
UtilityMenu>PlotCtrls>Pan-Zoom-Rotate→ISO。
3.显示轴向应力云图:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu→选择stress下的Y-Componentofstress→OK。
4.显示环向应力云图:
Mainmenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu→选择stress下的Z-Componentofstress→OK。
二、命令流方式
RESUME,thermal-pipe-solve,db
/TITLE,2daxisymmetricalpipethermal-stressanalysis
KEYW,PR_STRUC,1!
结构分析
/PREP7
LSCLEAR,SOLID!
删除对流边界
ETCHG,TTS!
转换单元类型,将热单元转换为结构单元
KEYOPT,1,1,0
KEYOPT,1,3,1
KEYOPT,1,6,0
KEYOPT,1,10,0!
设置单元属性为轴对称
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
UIMP,1,REFT,,,
MPDATA,ALPX,1,,1.62e-5!
设置材料的线膨胀系数
!
===========================施加结构分析载荷并求解
FLST,2,3,4,ORDE,3
FITEM,2,4
FITEM,2,7
FITEM,2,19
DL,P51X,,SYMM
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,12
FITEM,2,17
DL,P51X,,SYMM
LPLOT
LDREAD,TEMP,,,,,'pipe-thermal','rth',''!
把热分析结果读进来,
施加节点温度载荷
/SOL
FLST,2,2,4,ORDE,2
FITEM,2,8
FITEM,2,-9
/GO
SFL,P51X,PRES,6.89e6,!
施加内壁压力
/STATUS,SOLU
SOLVE
!
=============================普通后处理
/POST1
PLDISP,1!
画变形云图
/EFACET,1
PLNSOL,U,SUM,0,1.0!
画总位移云图
/EFACET,1
PLNSOL,S,EQV,0,1.0!
画等效应力图
/EFACET,1
PLNSOL,S,X,0,1.0!
画X方向应力图
!
==============================扩展后处理
/EXPAND,9,AXIS,,,10,,2,RECT,HALF,,0.00001
/VIEW,1,1,1,1
/EFACET,1
PLNSOL,S,Y,0,1.0
/EFACET,1
PLNSOL,S,Z,0,1.0
1.2.2直接法冷却栅热应力分析
一、问题描述
一个轴对称的冷却栅结构管内为热流体,管外流体为空气,假定冷却栅无限长,根据冷却栅结构的对称性特点如图1(a),可以构造出有限元分析简化模型如图1(b)。
尺寸参数:
轴对称的冷却栅半径为R1=0.304m,R2=0.152m,R3=0.127m;
宽度为H1=0.05m,H2=0.012m。
材料参数:
弹性模量E=1.93E11Pa
泊松比=0.3
导热系数k=25.96W/m°C
热膨胀系数=1.62E-5
管内:
压力6.89MPa
流体温度250°C
对流系数(膜系数)249.23W/m^2°C
管外:
流体(空气)温度39°C
对流系数
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