基于冷却栅管的结构热分析研究

时间:2022-09-03 01:40:50

基于冷却栅管的结构热分析研究

文章基于热分析理论,对冷却栅管进行了结构热分析研究,并探讨了热分析理论在冷却栅管元件中的应用过程。通过使用NX软件对冷却栅管元件进行结构热分析,得到了冷却栅管热通量和温度梯度的分布,并计算出了热―固耦合所产生的应力和应变分布情况,为冷却栅管元件设计的优化和改进提供了重要的数据支持。

一、引言

冷却栅管作为一种冷却元器件,被广泛使用在气体压缩机、核电和石化电机换热器以及船舶电机的动力装置换热器等工业产品上。

研究物体的热问题主要包括两方面的内容:传热问题研究,即要确定物体的温度场;热应力问题分析,即在某一温度场的情况下,确定随之产生的应力应变。实际上,Teamcenter这两个问题是相互影响和耦合的,但是在大多数情况下,传热问题所确定的温度将直接影响物体的热应力,而热应力对传热问题的耦合影响不大。因而,在解决实际问题时,将物体热问题看成是单向耦合的过程,可先进行热问题分析再进行热应力分析。冷却栅管元件的分析是典型的热-应力耦合问题。

NX热分析完全集成在NX高级仿真环境中,系统构架提供了Teamcenter工具的完全使用方法,用于控制多个设计迭代和解算方案,热分析结果可以作为NX解算器中热应力和挠曲分析的边界条件。热分析的共轭梯度解算器使用了稳定的双共轭梯度技术以及一个预设定条件的矩阵,将Newton-Raphson方法用于非线性条件,提高了大型系统的仿真运算性能。本文利用NX高级仿真结构热分析中的NLSCSH 153模块及静力学分析中的SOL 101模块,对冷却栅管元件进行了热-应力耦合问题的分析与研究。

二、冷却栅管热分析参数确定

热分析是指使用热力学参数或者物理参数随温度的变化关系进行分析的方法,通常必须将―个给定的系统或部件设计到能承受某些设计要求为止。

根据结构传热问题的类型和边界约束条件的不同,可以将热分析分为:与时间无关的稳态热分析和与时间相关的瞬态热分析;材料参数和边界条件不随温度变化的线性传热、边界条件和材料参数对温度敏感的非线性传热(如辐射、强迫对流等),包含多种温度场的多场耦合问题等。

当一个结构加热或冷却时,会发生膨胀或收缩,如果结构各部分之间膨胀和收缩程度不同,或结构的膨胀、收缩受到限制,就会产生(热)应力。当节点的温度已知时,可以将热载荷直接加载到所定义的节点上,而在做结构应力分析时,可以将所求的点温度作为载荷施加在结构力分析中。

三、冷却栅管结构热分析

1.冷却栅管的材料属性

通常,材料的物理特性会随着温度的变化而变化。当需要精确分析时,需要找出材料特性随温度变化的趋势或对应参数,如弹性模量、泊松比随温度的变化等。

2.创建冷却栅管有限元模型

首先创建冷却栅管元件的三维模型,冷却栅管元件尺寸如图1所示。

通过使用NX建模模块中的“回转”和“镜像”命令,可以得到冷却栅管元件的三维模型,如图2所示。

由于冷却栅管相对较长,其轴向长度甚至可以看作无限长。另外冷却栅管一般是轴对称结构。根据上述模型特点,可以取冷却栅管的1 /4作为简化模型。

对冷却栅管元件进行网格划分。文中采用了CTETRA(10)四面体10节点进行划分,网格划分结果如图3所示。

3.约束和载荷的施加

在进行结构热分析时,为了得到合理的结果,热分析仿真模型必须进行约束或加载定义。约束包括“对流”和“热约束”。其中,“对流”应用于几何体或者有限元实体模型,对流是指根据几何体表面温度和周围温度的差值按比例交换热能;“热约束”应用了几何体或节点的恒定温度。它们都是热分析解算的基本条件。从材料力学和线弹性力学中可以得知,热载荷不能引起直接应力,而代之引起热应变,应力能否产生取决于部件被怎样约束。另外,在施加热约束或热载荷时,要特别注意相应单位的正确性,否则会使计算的结果与实际结果有很大差距。

将管内流体温度视为一个稳定的热源,将管内流体和管外空气的温度作为对流约束。对冷却栅管元件的内部曲面施加“热约束”,温度设置为200℃;对管内表面和栅管外表面施加“对流约束”,其中,管内表面外部温度设置为200℃,对流系数为249W/(m 2・℃),栅管外表面外部温度设置为30℃,对流系数为30W/(m2・℃)。

4.解算器计算及结果分析

利用NLSCSH 153模块对冷却栅管有限元模型进行解算。单击“求解”命令,对已经定义过的有限元模型进行求解,得出了冷却栅管元件的温度云图、温度梯度云图和热通量云图。

在查看温度梯度和热通量时,需要将坐标系调整为圆柱坐标系。从图4冷却栅管温度云图中可以看出,管壁处的温度最高,并沿着栅管外表面逐渐降低;从图5冷却栅管温度梯度云图中可以看出,栅管外表面靠近管壁处的温度梯度最大,这点与图6的热通量图能够很好地吻合,表示其在单位时间,单位面积传递的热量最多。

为了考察模型上的温度随径向变化的规律,可以沿径向生成一个路径,将其各节点的温度反馈在图表上,路径分布节点温度如图7所示。

5.结构静力学分析

在许多实际工程问题中,由于温度的作用使结构产生过大的热应力,因而会产生破坏性效果,所以分析由温度引起的应力有着重要的意义。

在NX软件中新建一个用于解决热温度和流体压力载荷耦合的解算方案。在解算方案中选择SOL 101解算器,并对冷却栅管模型施加约束和载荷。

正确施加约束与载荷是解题的关键:管道内部受均匀分布压力,在结构分析时可以利用线性静态单个约束算法,约束其轴向、径向和周向的自由度(全约束),在管内壁施加静态流休压力和温度载荷,即可获得该模型热应力问题中的应力和应变分布情况。

在静态流体压力载荷中,流体密度和重力常数采用软件默认值,分别为1×10 -6kg/mm3和9 810mm/sec 2。表面压力设置为10MPa;在温度载荷中,温度设置为200℃。

定义完毕后进行求解,求解结果如图8、图9所示。

6.静力学分析结果

根据图8的应变云图所示,冷却栅管应变最大值为1.049×10-3,发生在管的内壁侧,另外此处的位移也为最大值,达到了0.048mm;根据图9的冯氏应力云图所示,最大冯氏应力达到了252.79MPa,而材料的屈服极限为262.01MPa,两项数值已经很接近,所以需要在发生最大应力的内壁侧处采取限制施加载荷大小的措施,来降低内壁侧处的最大应力。

四、结语

文章介绍并应用了热分析理论,通过使用NX软件对冷却栅管元件进行了结构热分析,得到了在一定时间段内模型温度场的分布状态,还得到了热通量、温度梯度的分布和节点温度的大小。通过使用结构静力学算法,使用SOL101解算器,计算出了热-固耦合所产生的应力和应变分布状况,其中最大冯氏应力与材料的屈服极限两项数值已经很接近,应该采取措施限制施加载荷的大小以降低最大应力。通过文章中的分析计算,可以为冷却栅管元件设计的优化和改进提供重要的数据支持,同时也为类似的冷却元件结构热分析提供了一种可供借鉴的思路和方法。

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