朱子环 耿卫国 叶 斌 陈 锋
(北京航天试验技术研究所 北京 100074)
摘 要:通过对ANSYS软件的系统组成、工作流程和工作原理等方面进行分析,应用有限元法FEM对低温情况下分节式电容液面计的刚度以及热应力进行研究,为结构设计提供理论依据。通过基于ANSYS的虚拟试验平台,可以低成本、高效率优化产品的设计方案,因此在产品的研究和设计方面有广泛的应用前景。
关键词:ANSYS CAE 有限元 低温液面计
中图分类号:TB663 文献标识码:A 文章编号: 100026516(2006)0620062205
1 引 言
电容液面计是计量液位指示的一种设备,结构和材料确定的合理性直接影响着液位的标识能力。低温电容液面计一般是在常温下安装调试而在低温环境中应用,这种差异给设计带来了影响。为了保证结构的合理性和可行性,应考虑对每一节液面计在低温下热传递的情况。以前的设计主要是依赖于设计者的经验和一定数量的对比试验来判断。随着计算机技术的发展,有必要对液面计的横、纵向变形情况,以及应力的变化情况作以定性的理论分析,便于合理地确定连接结构和材料的选取。
有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展而迅速发展起来的一种现代计算方法,被广泛应用于求解结构场、热场、电磁场、流场中的连续性问题。ANSYS作为一个基于有限元方法的计算机辅助工程(CAE)系统,已经在很多设计有限元分析的研究和设计领域得到了广泛的应用,因而对在低温分节式电容液面计设计中的应用探讨也是十分有意义的。
2 ANSYS的系统组成和工作流程
ANSYS软件系统包含多个软件产品,具备了强大的多场仿真和分析功能,美国软件产品主要包括3个模块:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用于构造有限元模型,同时ANSYS有丰富的CAD软件接口,可以与几乎所有的主流CAD软件,如UG, Pro/E, SolidEdge, SolidWorks, Inventor,MDT,Catia等进行双向的参数传递,并通过内部的参数管理器可方便地控制CAD模型、材料、边界条件等参数,实现参数传递,并通过其内部的参数管理器可方便地控制CAD模型、材料、边界条件等参数,实现参数化分析,从而可以对多个设计方案进行分析评价,提高设计效率。软件还提供了将近200种单元类型和丰富的材料模式,用来模拟工程中的各种结构和材料。
分析计算模块包括结构分析(可进行线性/非线性分析和静力/动力学分析)、热分析(稳态和瞬态),流场分析、电磁场分析(低频和高频)、声场分析以及物理场的耦合分析,同时可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力。
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、立体切片显示等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS的一般工作流程如图1所示。
3 ANSYS的热分析
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算出节点的温度,并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射3种热传导方式。具体来说ANSYS对这3种热传导方式的描述如下:
(1)热传导,用傅立叶方程来计算:
式中,q″为热流密度,W /m2 ;k为热导率,W /(m·℃);“-”表示热量流向温度降低的方向。
(2)热对流,用牛顿冷却方程来计算:
式中,h为对流换热系数;TS为固体表面的温度;TB为周围流体的温度
(3)热辐射,用斯蒂芬-波尔兹曼方程来计算:
式中,q为热流率;ε为辐射率;σ为斯蒂芬2波尔兹曼常数, 5. 67×10-8 W /(m 2·K 4);A1为辐射面1的面积;F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数;T 1,T 2分别为辐射面1, 2的热力学温度。
在ANSYS程序中,热分析主要包括以下两类:
(1)稳态热传分析
系统的温度场不随时间变化,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量:q流入+q生成-q流出=0,则系统处于热稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵表示)
式中,[K]为传导矩阵,包含热导率、对流系数、辐射率和形状系数; [T]为节点温度向量;[Q]为节点热流率向量,包含热生成。
ANSYS利用模型几何参数,材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成[K]、[T]和[Q]。
(2)瞬态传热分析
系统的温度场随时间明显变化,常用来分析一个系统的加热和冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理,瞬态热平衡以矩阵形式表示为:
[C]为比热矩阵;{T}为温度对时间的导数;其它符合意义同式(4)。
此外,ANSYS还有纵多的耦合分析工具,其中热-结构耦合对涉及低温的结构设计很有帮助。
4 ANSYS在分节式液面计设计中的应用
4. 1 考虑分节式液面计的一节
规格:外径Φ82 mm,内径Φ76 mm,长度1 000mm;材料为不锈钢(0Cr18NI9Ti);条件:由常温20℃放入液氢中;承受0. 4MPa的箱压;相关性能参数:液氢温度下的热导率11·79 W /(m·℃);弹性模量2·06×1011Pa;泊松比0. 3;比热容460 J/(kg·℃);密度7. 9×103 kg/m 3;线胀系数-11. 1×10-6 /℃。
因为液面计节与节之间需要有合适的连接形式,考虑在低温情况下结构的刚度以及热应力情况,选择结构形式和材料是很重要的。
4. 1. 1 建模
利用ANSYS对结构进行热效应模拟的一个关键环节,就是确定能反映实际系统的数学模型,对AN2SYS来说,这种模型应包括所有表征物理系统特征的信息,如节点、单元、单元实常数、材料热性能参数,并建立几何模型对几何模型划分网格,如图2所示。建立几何模型的形式既可用ANSYS前处理中的建模工具来生成,也可导入在其它计算机辅助设计CAD软件系统所创建的模型。值得注意的是,可以利用AN2SYS软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据(设计变量)定义为模型参数,从而可以利用ANSYS的优化功能对模型进行优化。
4. 1. 2 加载求解
首先要定义分析类型,对于不锈钢结构的模拟开始主要采用瞬态热分析,确定最终达到的温度点,见图3所示,然后根据温度的变化确定结构的变形及应力情况,见图4, 5, 6, 7所示。
4. 1. 3 后处理
ANSYS提供两种后处理方式:POST26,可对模型中特定点在所有载荷步的结果进行后处理,首先要定义变量,然后就可绘制这些变量随时间变化的曲线;POST1,可对整个模型在某一载荷步的结果进行后处理,读出某一时间点的结果,对结果进行矢量图显示、打印列表等后处理。
4. 2 实际设计时考虑重量对系统的影响
材料:硬铝合金;规格:外径Φ82 mm,内径Φ76mm,长度4 000 mm;条件:由常温20℃放入液氢中,承受0. 4 MPa的箱压;在液氢温度下的热导率162W /(m·℃);弹性模量0. 07×1011Pa;泊松比0. 3;比热容871 J/(kg·℃);密度2. 7×10 3kg/m 3;线胀系数-15. 48×10-6/ ℃。
4. 3 结果分析
对于4. 1的情况:图3为瞬态温度的变化;图4为Z方向收缩量;图5为X方向收缩量;图6为Y方向收缩量;图7为主应力的变化;以上通过彩云图的形式显示的,从图上可以看出对于规格的模型在达到平衡温度时:Z方向的最大变形为δZmax=3. 022 mm;X,Y方向的最大变形为δX max=δZY max=0. 125 mm;主应力情况σ主max=0. 063 Pa,以上Z方向的最大变形情况与每米收缩3 mm的经验值相吻合。
对于4. 2的情况:图8为Z方向收缩量;图9为X,Y方向收缩量;图10为主应力的变化。从图上可以看出对于规格的模型在达到平衡温度时:Z方向的最大变形为δZ max=16. 818 mm;X,Y方向的最大变形为δXmax=δZYmax=0. 176 mm;主应力情况σ主max=0.375 Pa。图中也可以显示并列出每一个节点的变化情况,而在设计过程中只关心最大变化情况,因此没有对每个节点作出列表。
根据以上数据在确定节与节相连处的连接形式时,应考虑低温情况影响的收缩量,防止产生松动或脱落的现象;另外考虑低温情况热效应的影响,由于只有一端进行对称约束,产生的热应力并不大,对于硬铝合金而言也满足强度的要求。
5 结 论
利用ANSYS在考虑外界热交换影响的情况下,对一节液面计的强度和刚度的分析,能比较直观地反应出应力和变形情况,对设计液面计的选材和连接结构的确立,提供理论基础。通过以上分析,认为利用ANSYS作为有限元的设计和优化软件,在结构-热耦合的仿真和分析中具有以下特点:
(1)ANSYS能够和主流的CAD软件进行双向参数传递,避免了设计人员进行重复劳动,便于设计者在使用的过程中与以往数据和设计资料进行比较。
(2)ANSYS具有强大的多场分析功能,有灵活的后处理能力,能够为真实地反映实际工况下热应力对设计零件的影响,同时也可以对设计的方案进行优化,从而能够起到降低成本、提高设计效率的作用。
(3)ANSYS是功能强大的有限元仿真分析工具,能够帮助研究人员从复杂的数学计算中摆脱出来,在设计的应用领域有着巨大的潜力。
参考文献
1 王国强.实用工程数值模拟技术及其ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社, 2000
2 邢静忠,王永岗,等.ANSYS 7. 0分析实例与工程应用.北京:机械工业出版社, 2004
3 孔祥谦.有限单元法在传热学中的应用.北京:科学出版社, 1998
