薄板压力容器盖的热-结构耦合有限元分析

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(整理)耦合分析

耦合分析耦合场分析的定义耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑了两种或者多种工程学科（物理场）的交叉作用和相互影响（耦合）。

例如压电分析考虑了结构和电场的相互作用：它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。

其他的耦合场分析还有热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析，磁-热耦合分析和磁-结构耦合分析等等。

耦合场分析的类型耦合场分析的过程取决于所需解决的问题是由哪些场的耦合作用，但是，耦合场的分析最终可归结为两种不同的方法：序贯耦合方法和直接耦合方法。

序贯耦合解法序贯耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。

它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。

例如序贯热-应力耦合分析是将热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的。

直接耦合解法直接耦合解法利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。

在这种情形下，耦合是通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量来实现的。

例如利用单元SOLID5，PLANE13，或SOLID98可直接进行压电分析。

流-固耦合分析主要用于解决流体(含气体)与结构之间的相互作用效应。

包括: 流-固耦合法、水弹性流体单元法、虚质量法。

（1）流-固耦合法流-固耦合法广泛用于声学和噪音控制领域中,如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研究等。

分析过程中,利用直接法和模态法进行动力响应分析。

流体假设是无旋的和可压缩的, 分析的基本控制方程是三维波方程, 二种特殊的单元可被用来描述流-固耦合边界。

(噪)声学载荷由节点的压力来描述, 其可以是常量, 也可以是与频率或时间相关的函数, 还可以是声流容积、通量、流率或功率谱密度函数。

由不同的结构件产品的噪声影响结果可被分别输出。

（2）水弹性流体单元法该方法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题。

薄管板结构废热锅炉有限元分析

和换热管接头，热端管板表面覆盖硅酸耐火混凝土，换热管、中心管热端插陶纤纸缠绕的刚玉套管保护。
表１设计参数
结构应力计算涉及复杂结构、复杂工况和边界条件，
缺乏直接简练的计算公式。ＡＳＳ有限元方法能ＮＹ
（）性薄管板挠度平衡管壳间温差变形，２柔未
从公式中体现出来；（）３计算时假定管板与壳体连接处属固支，与
实际的挠性边界不符；（）简单布管区、４不布管或支撑点间面积区划分
计算直径缺乏理论依据，计算管板厚度偏厚或偏薄；（）薄管板刚度小，５换热管对管板拉撑作用更强，换热管轴向力在拉脱力和换热管材料许用应力
・３・
２有限元计算过程
２１废热锅炉计算工况．
座都是长圆孔固定，热器基本可以自由移动，换在简体中部下截面处约束了轴向位移。（）（）况设１、２工
备材料各物理参数由温度决定，须先作温度场计算，温度场计算结果导入结构应力计算中的温度载荷部分，不含热膨胀产生的热应力的计算通过设热膨胀系数为０来实现。
中图分类号：Ｑ０３２Ｔ９Ｔ５．；Ｈ４文献标识码：Ａ文章编号：１０－２１２１）４）０４０９３８（０１０４０１）５
ＦｉｉｅｅｔＡｎｌｓｓｆｒＷａｔａｉｒｗｉｉｂｓｅｔｎｔＥｌｍｎａｙｉｏｅｓｅＨｅｔＢｏｌｔＴｈｎＴｕｅｈｅｅｈ

毕业设计(论文)换热器热应力耦合及有限元ansys分析

摘要换热器是传热工程必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用。

化工,冶金，动力，交递，航空与航天部门应用尤为广泛。

在底部有热源作用的散热片，主要通过传导与对流进行热交换。

为保证散热片的散热性能达到设计的要求，从而避免电子产品因过热而造成损坏，就需要对其进行热分析，计算在实际工况下的温度分布，校核其散热性能。

因此，对换热器进行热应力耦合分析具有十分重要意义。

传统方法的热分析其温度变化必须是非常的缓慢，而且在升降温过程中的不易控制，难以正确校核其散热性能。

随着计算机技术的发展，使得有限元法有着突飞猛进的进展。

结合计算机辅助设计技术，有限元法也被用于计算机辅助制造中。

ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，正确模拟散热片的工况，通过有限元法计算各节点的温度分布，并由此导出其他热物理参数，为散热片的设计选材提供合理的参数，使产品的研发更加快速、高效和经济。

关键词：换热器；有限元；ANSYS；散热片Heat exchanger coupled thermal stress analysisAbstractHeat transfer engineering is essential equipment to be used almost all industrial fields. Chemical, metallurgical, power, handoff, application of aviation and aerospace sector is particularly extensive. In the bottom of the heat sink effect, mainly through conduction and convection heat exchange. To ensure the heat sink thermal performance to meet the design requirements, so as to avoid overheating of electronic products due to damage to its thermal analysis requiredto calculate the temperature distribution in the actual conditions, check the heat dissipation. Therefore, thermal stress coupled heat exchanger analysis is of great significance. Traditional methods of thermal analysis the temperature change must be very slow, and in heating and cooling process difficult to control, difficult to properly check its thermal performance. With the development of computer technology, finite element method has made rapidprogress. Combined with computer-aided design,finite element method is also used in computer-aided manufacturing. ANSYS thermal analysis is based on the principle of conservation of heat energybalance equation, the correct simulation of the heat sink conditions, the finite elementmethod to calculate the temperature distribution of each node, and thus other thermalphysical parameters derived for the design of heat sink to provide a reasonableselection of parameters Make product development more rapid, efficient and economical.Key Words：Heat control；Finite element；ANSYS；Heatsink目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论............................ .. (1)1.1 引言 (1)1.2 计算机仿真技术的发展 (1)1.3 热分析方法的选择 (2)第二章课题相关知识介绍 (4)2.1散热片知识 (4)2.1.1散热片的材质比较 (4)散热片结构的设计 (4)2.2有限元分析理论与ANSYS (6)有限元分析理论 (6)有限元常用术语 (7)架构及命令 (7)分析典型过程与功能 (8)2.2.5 国内外发展状况 (9)有限元热分析原理 (9)第三章ANSYS三维模拟计算过程 (13)3.1 散热片模型及几何尺寸 (13)3.2 ANSYS有限元分析进程 (14)环境简介 (14)的建模过程 (15)操作条件的确定 (15)边界条件的确定 (15)计算结果与分析 (16)第四章结论 (21)谢辞 (22)参考文献 (23)附录：散热片模型建模程序 (24)第一章绪论1.1 引言热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。

薄板压力容器盖的热-结构耦合有限元分析

～
定温度下薄板承压结构的安全性至关重要，
而工作状态下的安全性测试非常困难，且极具危险性．传统设计中往往以牺牲其经济性来保证设备的安全运行，而有限元方法为模拟分析并校核其安全性提供了全面的功能，使设计者安全并较准确：盹在
热应力有限元分析过程可采用顺序法和直接法［１顺序法是将热分析求得的节点温度作为体载ａ．一
左右的蒙板，纵横各４，蒙板为２ｍｍ厚半径为块下１０４的球冠型薄板．球冠型蒙板与侧板之间的ｍｍ密封槽和密封圈结构对计算影响较小，略为球冠忽
点的正确联结，从而保证计算精度．如本文压力容器盖就应首先对上下蒙板划分网格，其次是肋板和侧
有限元热分析用于计算压力容器盖的温度分
布．
在正常工作状态下，系统卸压前，压力容器基本
处于稳态，Ｑ八生一Ｑ出＝ｏ即流＋Ｑ成藏，
也即Ｅ］Ｔ一｛｝ｘ｛｝Ｑ
式中］为传导矩阵，含导热系数、流系数及辐包对
２薄板压力容器盖的有限元分析
载荷作用下的温度场、力及变形，应并进行了热一结构耦合分析，得到并分析了薄板结构的压力容器盖在实际．￣Ｔ的应力场，ｒ－校核了其安全性，薄板承压结构更深入地分析研究提供理论参考．为关键词：薄板压力容器盖Ｉ有限元分析；热一结构耦合中图分类号：Ｈ１３．Ｔ２＋４文献标识码：Ａ１２热应力分析．
Ｖ１２Ｎ．ｏ４ｏ２．

基于热_结构耦合的3D_TSV互连结构的应力应变分析_黄春跃

Study on stress and strain of 3D-TSV stacked IC packages based on thermal-structure coupling
HUANG Chunyue1, LIANG Ying 2, XIONG Guoji1, LI Tianming3, WU Song1
86
黄春跃等：基于热-结构耦合的 3D-TSV 互连结构的应力应变分析
Vol.33 No.7 Jul. 2014
长，“超摩尔定律”的需求也日益紧迫。三维封装技术目前则被认为是超摩尔定律的一个首选方案，它可以提高封装密度、增强产品性能、提高速度、降低功耗、降低噪声，实现电子器件的多功能化和小型化。三维封装技术主要包括：3D-SIP（3D System in Package，3D 系统级封装）、3D-WLP（3D Wafer Level Package，3D 晶圆级封装）、3D-SIC（3D Stacked IC，3D 叠层芯片）、 3D-TSV（3D Through Silicon Via，3D硅通孔）等技术。在这些三维封装技术中硅通孔技术则被认为是三维封装技术的核心，目前已经成为微电子领域研究的热点，将会成为下一代封装技术的主流。3D-TSV技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直金属化导通孔，实现芯片之间互连的最新技术[1]，采用3D-TSV 互连技术可以大幅度缩小芯片尺寸，提高芯片的晶体管密度，改善层间电气互联性能，提高芯片运行速度，降低芯片功耗，该技术被业内人士称为继引线键合(Wire Bonding)、载带自动键合(Tape Automated Bonding, TAB) 和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技术。就目前而言，3D-TSV技术尚未完全成熟，仍有许多亟待解决的问题，而在制约3D-TSV技术产业化速度的因素中， TSV结构中由于各部分材料间热膨胀系数不匹配而产生的应力及其在制作工艺过程中累积的残余应力所导致的交界面分层、破裂等热结构可靠性问题是主要的影响因素。因而，加强3D-TSV 在热结构可靠性方面的研究极为必要。对此，国内外学者已经展开了相关研究工作，Hsieh等[2]采用有限元仿真与试验验证相结合的方法研究了3D叠层芯片模块内由于硅通孔的存在而导致的内部应力变化；Bahareh等[3]对3D-TSV转接板内的铜硅通孔和细间距焊料微凸点进行了可靠性研究； Selvanayagam等 [4] 建立了硅通孔铜填充互连二维轴对称结构有限元模型并进行静态温度载荷加载，对硅通孔铜互连的热应力失效进行了分析和预测；Shiwani等[5]研究了采用TSV互连的叠层芯片封装中不同硅通孔深宽比、硅芯片厚度、填充料厚度和填充材料性质的变化而引起的封装整体可靠性问题；俞箭飞等[6]采用有限元法模拟湿热环境下TSV 结构在回流焊过程中因材料间热膨胀系数和湿膨胀系数不同而产生的热应力和湿应力； He等[7]研究了用焊料、铜和铜芯焊料填充的 TSV转接板的可靠性问题；安彤等[8]通过建立TSV转接板有限元模型研究了在温度载荷作用下TSV 转接板上铜和硅的应力状态。上述学者在对TSV进行热结构可靠性的研究时大多采用有限元仿真的方法对 TSV结构施加某一温度循环载荷，得出循环热载荷下 TSV的应力分布，而对于3D-TSV模块因自身芯片工

换热器热应力耦合分析有限元分析

第一章课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。

一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。

2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。

不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。

虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。

目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。

铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。

而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。

有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。

对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。

北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。

散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为：肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。

板式换热器框架的有限元分析及应变试验研究

第 57 卷第 1 期2020 年 2 月化　工　设　备　与　管　道PROCESS EQUIPMENT & PIPINGV ol. 57　No. 1Feb. 2020板式换热器框架的有限元分析及应变试验研究薛子萱（天津百利机械装备集团有限公司中央研究院，天津 300350）摘要：为了研究板式换热器固定压紧板、活动压紧板应力规律和夹紧螺柱载荷大小，在ANSYS 软件中建立板式换热器框架有限元模型，分别得到框架在单侧液压试验工况的分析结果。

实施了框架的应变实验，直接测出了固定压紧板和活动压紧板的应变数据，间接测出了夹紧螺柱的载荷数据，对比分析了有限元分析结果和应变试验结果，分析和试验研究表明：固定压紧板和活动压紧板的最大应力位于板的中心位置，应力幅值从板中心向四周逐渐减小，主应力方向与水平方向基本一致；夹紧螺柱的最大载荷位于中间螺柱。

研究结论对板式换热器框架的设计和优化提供一定参考价值。

关键词：板式换热器；有限元分析；应变实验；ANSYS中图分类号：TQ 050.2；TH 123 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2020）01-0041-006收稿日期：2019-07-19作者简介：薛子萱（1987—），男，高级工程师。

从事机械设备的设计、仿真与验证工作。

板式换热器作为一种传热效率高、安装简单的换热设备，广泛应用于石油化工、冶金环保、轻工食品等行业，板片和垫片安装在固定压紧板和活动压紧板之间，通过夹紧螺柱夹紧，板片和垫片按照一定数量排列组合后，形成不同的换热面积。

某板式换热器框架的结构示意如图1所示，由固定压紧板、活动压紧板、上导杆、下导杆、支柱等零件组成。

NB/T 47004—2009《板式热交换器》规定了夹紧螺柱的载荷、面积及最小直径的计算公式，指出了“压紧板的刚度计算至今没有成熟可采纳的计算公式”现状 [1]。

标准中关于夹紧螺柱的理论计算，以所有螺柱均匀受力的假设为前提，但是数值模拟 [2]和试验验证 [3]等案例证明，板式换热器的夹紧螺柱受力存在明显的不均匀性，因此，经验公式计算结果存在一定误差。

有限元分析报告

有限元法在工程领域的发展现状和应用有限元法(Finite Element Method,FEM),是计算力学中的一种重要的方法,它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。

有限元法最初应用在工程科学技术中,用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。

对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题,有限元法则是一种有效的分析方法。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：（1）增加产品和工程的可靠性（2）在产品的设计阶段发现潜在的问题（3）经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本（4）模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费一、有限元法的基本思想有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合,且单元本身又可以有不同形状,因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元(小区域)进行力学分析,最后再整体分析。

这种化整为零,集零为整的方法就是有限元的基本思路。

有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：1物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。

离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。

所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。

压力容器开孔补强结构的有限元分析系统

ｉｔｌａｓｓＯｅｅｂ－ｎ３ｄ－：＼ｎｙｂｔｔｔｎｅ＼ｎｙ１０．ｘ－ｐａｅｆｓｉＥ＼ａｓｓａ．ｘ — ｌ
ａ．定义单元及材料属性；
ＯＥ：＼＼ｒｓｌｕ．ｏｔｅｕｔｔｕ ”。ＮＵＬＬ，ＮＵＬ，ＦｏＬＡＬＳＥ，０，
图２接管补强区截面结构图
Ｄ — 压力容器简体内径，ｌ — ｌｉｍ；Ｌ— — 简体长度，ｍ；１ｍ卜
Ｄ
— —
个进程，执行其他程序，去它可以指定进程的安全属性、承信息和类的优先级等，此选择Ｃｅ继因ｒ－ａＰｏｅｓ函数启动ＶｔｒｃｓｅＣ＋＋。
接管补强有限元分析的参数化ＡＤＰＬ命令代
码主要包括以下部分：
ＢＯＯＬｆｔ＝Ｃｒａｅｒｃｓ（ｒｅｅｔＰｏｅｓＮＵＬＬ， “ ＼Ｃ：＼
ＰｏｒｍｌｓＡｎｙｎ＼ｌ０｜｜ｓｓ｜｜ｉ｜ｌｒｇａＦｉ＼｜ｓｓＩｃｔｖ０ｅＡｎｙｂｎ
创建焊接构件组件
／划分网格／
ｏｆｌ＜＜ “ＶＳｕｔｅｉＥＬ，ＶＯＬＵ，ＷＥＬＤ， ” ＜＜Ｓ，，１
ｅｄ；／中焊缝组件ｎｌ／选
件用来保存生成的ＡＤＰＬ批处理代码，后对该然文本文件进行读写操作，序将根据输入参数赋程值后的ＡＤＰＬ命令字符串写到该文件中。接管补

压力容器管板的ANSYS有限元分析

用ANSYS软件进行压力容器管板的有限元分析序言压力容器管板是压力容器重要部件，根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。

它的变形情况及应力分析对整个箱管结构的应力分析起着决定性的作用。

然而J摺佣解析法对压力容器管板所受的应力和应变情况分析，解析误差太大。

采用ANSYS有限元分析软件建立压力容器管板的有限元模型，加载求解进行应力场分析对算出压力容器管板的最大应力泣变，利用ANSYS的有限元分析和计算机图形学功能显示三维应力等值面应移等值面，从而为压力容器管板机构的优化分析提供了充分的理论依据。

1基本分过程1.1创建有限元模型本文选用一种U型管式的压力容器来建模，管板材料选用20MuMo 锻件。

球形封头材料16MnR，材料的弹性模量E=20E+05MPa.泊松比为03，密度为7.8t/m3，设计压力P=31.4MPa，许用应力为196MPa。

在压力容器的应力的分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。

另外由于压力容器是轴对称结构，所以可选其一半结构来建模。

为了节省时间和存储空间，而又不影响分析结果，根据其结构，略去一些细节。

其中管孔对于管板强度的削弱，可以采用有效弹性模量E1和有效泊松比V1的概念将管板折算为同厚度的当量无孔圆平板，因此管板区域分为两大部分，1区按等效圆板来处理，而2区按实际悄况处理。

根据相关文献得到E1=054F,V1=0360综上所述，所得简化后有限元分析模型如图1所示:图1有限元分析模型1.2网格划分通常ANSYS的网格划分有两种方法，即自由划分和映射划分。

自由划分网格主要用于划分边界形状不规则的区域，分析稍度不够高，但要求划分的区域满足一定的拓补条件。

奕淞」分网格主要适合与敖钡臼形体，分析精度高。

鉴于压力容器管板的结构特点，本文同时采用了这两种方法。

在非边界区域采用醉编寸网格划分，在边界区域及梢度要求不是很高的区域采用自由网格划分。

压力容器有限元分析

压力容器有限元分析摘要压力容器在化工生产中使用广泛，对于卧式容器的设计目前采用的标准规范主要有常规设计标准和分析设计标准。

后者更详细的计算了容器及其受压元件的各种应力，并根据各种应力本身的性质予以分类，而采取不同的应力强度条件给予限制，体现了安全裕度的原则。

有限元技术的发展，为分析设计提供了强大的计算工具。

1.工程背景和工作原理压力容器如今已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、航天以及城建等部门，当前我国压力容器行业整体上依然保持这平稳健康的发展趋势。

压力容器生产厂商非常之多，而它们在制造和使用过程中难免要产生缺陷。

准确有效的评估压力容器的承载能力，做到既保证压力容器安全，又能提高经济效益，相关的力学问题是成功设计的重要部分[1]。

本文以双支座卧式容器为例，采用ansys软件进行有限元应力计算，分析了容器的应力与变形，并对其进行应力评定。

考虑到卧式容器的最大最大应力一般位于鞍座处及其附近，鞍座式支座的刚度将对此处局部应力产生很大影响，结构如下图所示。

设计条件为：设计压力P(MPa): 0.8设计温度T （℃）：<200 物料密度ρ（kg/m 3)：1000鞍座为垫板、腹板组成的焊接结构，如下图所示，垫板周边与简体采用焊接连接。

容器的尺寸数据如表1所尔。

容器与封头材料采用16MnR ， [σ]200＝170MPa ，密度ρ＝7850kg ／m 3；鞍座材料为Q235—A ，[σsa ]200=111MPa ，弹性模量E ＝2.01×1011Pa ，泊松比γ=0.3。

表1 双支座卧式容器结构参数2.抽象模型和理论分析2.1力学模型部件结构参数代表参数尺寸（mm ）筒体内径 Di 3600 鞍座间跨度 L 42000 公称厚度 Tn 26 壁厚附加量Cj 1.0 封头半球形封头深度 H 1850 公称厚度 Thn 24 壁厚附加量 Cj 1.0 鞍座鞍座中心至封头切线距离 A6800 鞍座中心至垫板高度 H1 500 鞍座中心至垫板高度 H2 1500 鞍座宽度 H3 1700 鞍座包角 Theta 135 垫板垫板宽度 c 760 垫板厚度Td40在本例中，由于模型的对称性，在建立模型时以YZ所在的平面为对称面采用1/2结构模型，单元采用Solid95实体单元。

压力容器管板的有限元分析

基于ANSYS对压力容器管板的有限元分析压力容器管板是压力容器重要部件，根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。

它的变形情况及应力分析对整个箱管结构的应力分析起着决定性的作用。

然而J摺佣解析法对压力容器管板所受的应力和应变情况分析，解析误差太大。

采用ANSYS有限元分析软件建立压力容器管板的有限元模型，加载求解进行应力场分析对算出压力容器管板的最大应力泣变，利用ANSYS的有限元分析(/view/5686105.htm)和计算机图形学功能显示三维应力等值面应移等值面，从而为压力容器管板机构的优化分析提供了充分的理论依据。

1 基本分过程1.1创建有限元模型本文选用一种U型管式的压力容器来建模，管板材料选用20MuMo锻件。

球形封头材料16MnR，材料的弹性模量E=20E+05MPa.泊松比为03，密度为7.8t/m3，设计压力P=31.4MPa，许用应力为196MPa。

在压力容器的应力的分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。

另外由于压力容器是轴对称结构，所以可选其一半结构来建模。

为了节省时间和存储空间，而又不影响分析结果，根据其结构，略去一些细节。

根据相关文献得到E1=054F,V1=0360综上所述，所得简化后有限元分析模型如图1所示:1.2网格划分通常ANSYS的网格划分有两种方法，即自由划分和映射划分。

自由划分网格主要用于划分边界形状不规则的区域，分析稍度不够高，但要求划分的区域满足一定的拓补条件。

奕淞」分网格主要适合与敖钡臼形体，分析精度高。

鉴于压力容器管板的结构特点，本文同时采用了这两种方法。

在非边界区域采用醉编寸网格划分，在边界区域及梢度要求不是很高的区域采用自由网格划分。

有限元分析课件

物理模拟方法简介
（1）缝隙法为了定性地了解接触面压力分布，可在模具的相应部分留有垂直于模
面的窄缝或小孔，根据流入窄缝或小孔的模拟材料外形或高度，定性地判定接触面正压力分布。
物理模拟方法简介
（2）硬度法冷变形时，变形程度越大硬化越强，硬度越高，因此可根据硬度
的分布，判别变形不均匀的程度。根据下图能判断出，圆柱体镦粗时变形可分为三个区，中心区是大变形区，侧面鼓形是中等变形区，上下接触面是小变形区。
物理模拟方法简介
（4）叠层法叠层法是利用易变形材料(铅和塑性泥等)制成薄
片，然后叠成试样进行模拟实验的方法。为了研究挤压时的变形流动情况，可以用颜色
不同的塑性泥层制成试样进行挤压，然后沿子午面切开，由不同颜色的各层位置变化来观察变形区的情况，此外，用铅制成薄片重叠成圆柱体进行镦粗，不仅可观察变形流动，还可以把变形后的铅层分开，通过测量各层不同部位的尺寸变化，计算出变形体内的应变分布。
形状、尺寸精度和组织性能的产品的加工方法，称为金属塑性成形，也称为金属塑性加工或金属压力加工。
如果不考虑切头、去尾、火耗等损失，那么金属材料的体积、质量在塑性成形前后可看做没有发生变化，因此塑性成形是无屑或少屑的金属加工方法。
塑性成形方法与分类
1、根据加工时工件受力和变形方式的不同，金属塑性成形方法可分为锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等。 2、根据金属变形特征的不同，又可将金属塑性成形分为：体积成形（或称块料成形）和板料成形（冲压）两大类。 3、金属塑性成形按照加工时工件的温度又可分为热塑性成形、冷塑性成形和温塑性成形。
物理模拟方法简介
（5）坐标网格法(Coordinate Grid Method) 是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法，

压力容器热力耦合的有限元分析

压力容器热力耦合的有限元分析摘要：实际工程中，压力容器除了承受机械应力外，还要承受波动温度条件下由于温度分布不均匀而产生的热应力。

在压力容器实际运行时，特别是在启动、停止过程中，结构所受的瞬态温度变化显著，由此带来的温度应力则会达到较大的数值，能够使得设备结构产生强度破坏。

因此，准确地确定结构的瞬态温度场、耦合热应力以及部件问的热传递规律是具有实际意义和工程价值的课题。

本文就此展开了论述，以供参阅。

关键词：压力容器;热力耦合;有限元分析1传导问题的有限元分析1.1三维瞬态温度场问题的一般表达格式在一般三维问题中，瞬态温度场的场变量Ф(x，y，z,t)在直角坐标系中应满足的微分方程是：上式中，JD是材料密度(kg／m3)；c是材料比热容(J／kg·K)；t是时间(s)：kx，ky，kz也是材料沿物体三个主方向(x，y，z)方向的导热系数(w／(m·K))；Q=Q(x，y，z,t)是物体内部的热源密度(w／kg)；nx，ny，nz是边界外法线的方向余弦；Ф=Ф(Γ，t)是在Γ1边界上的给定温度；q=q(Γ，t)是在边界Γ2上的给定热流密度(w／m2)；h是对流换热系数(W／m2·K)。

；Фa=Фa(Γ，t)，对于尼边界，在自然对流条件下，Фa是外界温度环境；在强迫对流的条件下，Фa是边界层的绝热壁温度。

微分方程式(1)是热量平衡方程，其表明，微体升温所需的热量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量相平衡。

(2)式是在E边界上给定温度Ф(Γ，t)，称为第一类边界条件，它是强制边界条件。

(3)式是在如边界上给定热流量q(Γ，t)，称为第二类边界条件。

(4)式是在Γ3边界上给定对流换热的条件，称为第三类边界条件。

Γ1+Γ2+Γ3=Γ是域力内的全部边界条件。

1.2结构耦合热应力的求解思想热应力实际上是热和应力两个物理场相互作用的结果，属于耦合场分析的范畴。

在有限元热应力分析中，通常有两种方法，一种是顺序耦合法，另一种是直接耦合法。

压力容器ansys有限元分析设计实例

ANSYS应力分析报告Stress Analysis Report学生姓名学号任课教师导师目录一. 设计分析依据 (2)1.1 设计参数 (2)1.2 计算及评定条件 (2)二. 结构壁厚计算 (3)三. 结构有限元分析 (4)3.1 有限元模型 (5)3.2 单元选择 (5)3.3 边界条件 (6)四. 应力分析及评定 (7)4.1 应力分析 (7)4.2 应力强度校核 (8)4.3疲劳分析校核 (11)五. 分析结论 (11)附录1设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(A) (12)附录2设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(B) (13)附录3设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(C) (14)附录4设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(D) (16)附录5设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(E) (17)附录6设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(F) (19)附录7设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(G) (20)附录8设计载荷作用下结构应力沿路径线性化结果(H) (21)一. 设计分析依据（1）《压力容器安全技术监察规程》（2）JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》（2005确认版）1.1 设计参数表1 设备基本设计参数1.2 计算及评定条件(1) 静强度计算条件表2 设备载荷参数注：在计算包括二次应力强度的组合应力强度时，应选用工作载荷进行计算，本报告中分别选用设计载荷进行进行计算，故采用设计载荷进行强度分析结果是偏安全的。

(2) 材料性能参数材料性能参数见表3，其中弹性模量取自JB4732-95表G-5，泊松比根据JB4732-95的公式（5-1）计算得到，设计应力强度分别根据JB4732-95的表6-2和表6-6确定。

表3 材料性能参数性能(3) 疲劳计算条件此设备接管a 、c 上存在弯矩，接管载荷数据如表4所示。

表4 接管载荷数据表二. 结构壁厚计算按照静载荷条件，根据JB4732-95第七章（公式与图号均为标准中的编号）确定设备各元件壁厚，因介质密度较小，不考虑介质静压，同时忽略设备自重。

有限元热力耦合详细步骤

第22章热－应力耦合分析实例温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。

特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。

各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。

另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。

为此，本章通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。

22.1 问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图22.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表22.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。

图22.1 双层管道的截面图表22.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm. o C)弹性模量(MPa) 泊松比热膨胀系数(－o C-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 10.3 2 (铝) ,外层0.152 0.63E50.33 20.7从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。

同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。

因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。

下面我们将首先建立有限元模型，进行稳态热分析，并观察分析其沿径向的温度分布情况。

然后将模型中的热单元类型转换成对应的结构分析单元类型，重新定义材料的力学性能参数，并将热分析的结果以体载荷的形式施加到模型中，定义合理的边界条件，进行结构静力求解。

最后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。

22.2 建立模型在ANSYS6.1中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。

热-结构耦合分析

热-结构耦合分析结构耦合分析知识掌握篇2009-05-31 14:09:19 阅读131 评论0 字号：大中小订阅热-结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题由于结构温度场的分结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题.由于结构温度场的分结构耦合问题是结构分析中通常遇到的一类耦合分析问题布不均会引起结构的热应力,或者结构部件在高温环境中工作,材料受到温度的影响会发或者结构部件在高温环境中工作布不均会引起结构的热应力或者结构部件在高温环境中工作材料受到温度的影响会发生性能的改变,这些都是进行结构分析时需要考虑的因素为此需要先进行相应的热分析, 这些都是进行结构分析时需要考虑的因素.为此需要先进行相应的热分析生性能的改变这些都是进行结构分析时需要考虑的因素为此需要先进行相应的热分析然后在进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理,如然后在进行结构分析热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理如热量的获取或损失,热梯度热流密度(热通量热梯度,热流密度热通量)等本章主要介绍在热量的获取或损失热梯度热流密度热通量等.本章主要介绍在ANSYS 中进行稳瞬态热分析的基本过程,并讲解如何完整的进行热结构耦合分析. 态,瞬态热分析的基本过程并讲解如何完整的进行热结构耦合分析瞬态热分析的基本过程并讲解如何完整的进行热-结构耦合分析21.1 热-结构耦合分析简介结构耦合分析简介结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力,应变和位移等物理量影响的热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力应变和位移等物理量影响的结构耦合分析是指求解温度场对结构中应力分析类型.对于热结构耦合分析,在对于热-结构耦合分析中通常采用顺序耦合分析方法分析方法,即分析类型对于热结构耦合分析在ANSYS 中通常采用顺序耦合分析方法即先进行热分析求得结构的温度场,然后再进行结构分析然后再进行结构分析.且将前面得到的温度场作先进行热分析求得结构的温度场然后再进行结构分析且将前面得到的温度场作为体载荷加到结构中,求解结构的应力分布为此,首先需要了解热分析的基本知为体载荷加到结构中求解结构的应力分布.为此首先需要了解热分析的基本知求解结构的应力分布为此然后再学习耦合分析方法. 识,然后再学习耦合分析方法然后再学习耦合分析方法21.1.1 热分析基本知识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各节点的温热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温并导出其它热物理.ANSYS 热分析包括热传导热对流及热辐射三种热传热分析包括热传导,热对流及热辐射三种热传度,并导出其它热物理并导出其它热物理递方式.此外还可以分析相变,有内热源接触热阻等问题. 此外,还可以分析相变有内热源,接触热阻等问题递方式此外还可以分析相变有内热源接触热阻等问题热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换.热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间,由于温差的存而引起的内能的交换热对流是指固体的表面和与它周围接触的流体之间由于温差的存在引起的热量的交换.热辐射指物体发射电磁能热辐射指物体发射电磁能,并被其它物体吸收转变为热的热量交换在引起的热量的交换热辐射指物体发射电磁能并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程. 过程如果系统的净热流率为0,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的热量流入生成流出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. 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程.在这个过程中系统的温度热流率, 在这个过程中系统的温度,热流率瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程在这个过程中系统的温度热流率热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化. 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化ANSYS 热分析的边界条件或初始条件可分为七种温度热流率热流密度热分析的边界条件或初始条件可分为七种温度,热流率热流密度, 七种:温度热流率,热流密度对流,辐射绝热,生热辐射,绝热生热. 对流辐射绝热生热热分析涉及到的单元有大约40 种,其中纯粹用于热分析的有14 种,它们如表其中纯粹用于热分析的有它们如表21.1 示示. 表21.1 热分析单元列表单元类型名称说明线性LINK32 LINK33 LINK34 LINK31 两维二节点热传导单元三维二节点热传导单元二节点热对流单元二节点热辐射单元二维实体PLANE55 PLANE77 PLANE35 PLANE75 PLANE78 四节点四边形单元八节点四边形单元三节点三角形单元三节点三角形单元四节点轴对称单元八节点轴对称单元三维实体SOLID87 SOLID70 SOLID90 六节点四面体单元八节点六面体单元二十节点六面体单元壳SHELL57 四节点四边形壳单元点MASS71 节点质量单元21.1.2 耦合分析中能够进行的热耦合分析有:热结构耦合结构耦合,热流体耦合流体耦合,热电耦在ANSYS 中能够进行的热耦合分析有热-结构耦合热-流体耦合热-电耦磁耦合,热电磁结构耦合等因为本书主要讲解结构实例分析,结构耦合等,因为本书主要讲解结构实例分析合,热-磁耦合热-电-磁-结构耦合等因为本书主要讲解结构实例分析热磁耦合以着重讲解热-结构耦合分析结构耦合分析. 以着重讲解热结构耦合分析中通常可以用两种方法来进行耦合分析,一种是顺序耦合方法一种是顺序耦合方法,另在ANSYS 中通常可以用两种方法来进行耦合分析一种是顺序耦合方法另一种是直接耦合方法. 一种是直接耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析,每一种属于某一物理分顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析每一种属于某一物理分通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合.典型析.通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合典型通过将前一个分析的结果作为载荷施加到下一个分析中的方式进行耦合的例子就是热-应力顺利耦合分析热分析中得到节点温度作为"体载荷应力顺利耦合分析,热分析中得到节点温度作为体载荷"施加到的例子就是热应力顺利耦合分析热分析中得到节点温度作为体载荷施加到随后的结构分析中去. 随后的结构分析中去直接耦合方法,只包含一个分析它使用包含多场自由度的耦合单元.通过计只包含一个分析,它使用包含多场自由度的耦合单元直接耦合方法只包含一个分析它使用包含多场自由度的耦合单元通过计算包含需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合.典型的算包含需物理量的单元矩阵或载荷向量矩阵或载荷向量的方式进行耦合典型的单元的压电分析. 例子是使用了SOLID45,PLANE13 或SOLID98 单元的压电分析进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法.对于间接法对于间接法,使用不同的进行顺序耦合场分析可以使用间接法和物理环境法对于间接法使用不同的数据库和结果文件,每个数据库包含合适的实体模型单元,载荷等每个数据库包含合适的实体模型,单元载荷等.可以把一个数据库和结果文件每个数据库包含合适的实体模型单元载荷等可以把一个结果文件读入到另一个数据库中,但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必结果文件读入到另一个数据库中但单元和节点数量编号在数据库和结果文件中必须是相同的.物理环境方法整个模型使用一个数据库物理环境方法整个模型使用一个数据库.数据库中必须包含有的物须是相同的物理环境方法整个模型使用一个数据库数据库中必须包含有的物理分析需的节点和单元.对于每个单元或实体模型图元必须定义一套属性编号, 对于每个单元或实体模型图元,必须定义一套属性编号理分析需的节点和单元对于每个单元或实体模型图元必须定义一套属性编号包括单元类型号,材料编号实常数编号及单元坐标编号.有这些编号在有物材料编号,实常数编号及单元坐标编号包括单元类型号材料编号实常数编号及单元坐标编号有这些编号在有物理分析中是不变的.但在每个物理环境中每个编号对应的实际的属性是不同的但在每个物理环境中,每个编号对应的实际的属性是不同理分析中是不变的但在每个物理环境中每个编号对应的实际的属性是不同的. 对于本书要讲解的热-结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析,其数据结构耦合分析,通常采用间接法顺序耦合分析对于本书要讲解的热结构耦合分析通常采用间接法顺序耦合分析其数据示. 流程如图21.1 示图21.1 间接法顺序耦合分析数据流程图21.2 稳态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响.通常在进行瞬态热分析稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响通常在进行瞬态热分析以前,需要进行稳态热分析来确定初始温度分布需要进行稳态热分析来确定初始温度分布.稳态热分析可以通过有限元计算以前需要进行稳态热分析来确定初始温度分布稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度,热梯度热流率,热流密度等热梯度,热流率热流密度等.ANSYS 确定由于稳定的热载荷引起的温度热梯度热流率热流密度等稳态热分析可分为三个步骤: 稳态热分析可分为三个步骤前处理:建模前处理建模求解:施加载荷计算施加载荷计算后处理:查看结果后处理查看结果21.2.1 建模稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同.不同的就是需要在菜单稳态热分析的模型和前面的结构分析模型建立过程基本相同不同的就是需要在菜单过虑对话框中将分析类型指定为热分析,这样才能使菜单选项为热分析选项这样才能使菜单选项为热分析选项,单元类型也过虑对话框中将分析类型指定为热分析这样才能使菜单选项为热分析选项单元类型也为热分析的单元类型,另外在材料定义时需要定义相应的热性能另外在材料定义时需要定义相应的热性能,下面为大概操作步为热分析的单元类型另外在材料定义时需要定义相应的热性能下面为大概操作步骤. 1.确定jobname,title,unit; 确定 2.进入PREP7 前处理定义单元类型设定单元选项前处理,定义单元类型设定单元选项; 定义单元类型,设定单元选项进入3.定义单元实常数定义单元实常数; 定义单元实常数 4.定义材料热性能对于稳态传热一般只需定义导热系数它可以是恒定的定义材料热性能,对于稳态传热一般只需定义导热系数,它可以是恒定的定义材料热性能对于稳态传热,一般只需定义导热系数它可以是恒定的, 也可以随温度变化; 也可以随温度变化 5.创建几何模型并划分网格请参阅结构分析的建模步骤创建几何模型并划分网格,请参阅结构分析的建模步骤. 创建几何模型并划分网格请参阅结构分析的建模步骤21.2.2 施加载荷计算热分析跟前面讲解的结构分析相比,区别在于指定的载荷为温度边条区别在于指定的载荷为温度边条.通常可施加的热分析跟前面讲解的结构分析相比区别在于指定的载荷为温度边条通常可施加的温度载荷有恒定的温度,热流率对流,热流密度和生热率五种热流率,对流热流密度和生热率五种.另外在分析选项中也包温度载荷有恒定的温度热流率对流热流密度和生热率五种另外在分析选项中也包含非线性选项,结果输出选项等需要根据情况进行设置结果输出选项等需要根据情况进行设置. 含非线性选项结果输出选项等需要根据情况进行设置 1.定义分析类型定义分析类型(1) 如果进行新的热分析则使用下面命令或菜单路径如果进行新的热分析,则使用下面命令或菜单路径则使用下面命令或菜单路径: COMMAND:ANTYPE, STA TIC, NEW GUI: Main menu | Solution | -Analysis Type- | New Analysis | Steady-state (2) 如果继续上一次分析比如增加边界条件等则需要进行重启动功能如果继续上一次分析,比如增加边界条件等则需要进行重启动功能: 比如增加边界条件等,则需要进行重启动功能COMMAND: ANTYPE, STATIC, REST GUI: Main menu | Solution | Analysis Type- | Restart 2.施加载荷施加载荷可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷(边界条件边界条件) 可以直接在实体模型或单元模型上施加五种载荷边界条件. (1) 恒定的温度通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上恒定的温度: 通常作为自由度约束施加于温度已知的边界上. COMMAND: D GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Temperature (2)热流率热流率作为节点集中载荷主于线单元模型中通常线单元模热流率: 主于线单元模型中(通常线单元模热流率热流率作为节点集中载荷,主于线单元模型中型不能施加对流或热流密度载荷),如果输入的值为正代表热流流入节点,即单如果输入的值为正,代表热流流入节点型不能施加对流或热流密度载荷如果输入的值为正代表热流流入节点即单元获取热量.如果温度与热流率同时施加在一节点上如果温度与热流率同时施加在一节点上,则元获取热量如果温度与热流率同时施加在一节点上则ANSYS 读取温度值进行计算. 计算注意:如果在实体单元的某一节点上施加热流率则此节点周围的单元要密一些, 如果在实体单元的某一节点上施加热流率,则此节点周围的单元要密一些注意如果在实体单元的某一节点上施加热流率则此节点周围的单元要密一些在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时,尤其要注意尤其要注意.此在两种导热系数差别很大的两个单元的公共节点上施加热流率时尤其要注意此尽可能使用热生成或热流密度边界条件,这样结果会更精确些外,尽可能使用热生成或热流密度边界条件这样结果会更精确些尽可能使用热生成或热流密度边界条件这样结果会更精确些. COMMAND: F GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flow (3) 对流对流边界条件作为面载施加于实体的外表面计算与流体的热交换对流:对流边界条件作为面载施加于实体的外表面计算与流体的热交换. 对流边界条件作为面载施加于实体的外表面,计算与流体的热交换它仅可施加于实体和壳模型上,对于线模型对于线模型,可以通过对流线单元它仅可施加于实体和壳模型上对于线模型可以通过对流线单元LINK34 考虑对流. COMMAND: SF GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Convection (4) 热流密度热流密度也是一种面载荷当通过单位面积的热流率已知或通热流密度:热流密度也是一种面载荷当通过单位面积的热流率已知或通热流密度也是一种面载荷.当通过单位面积的热计算得到时,可以在模型相应的外表面施加热流密度可以在模型相应的外表面施加热流密度.如果输入过FLOTRAN CFD 计算得到时可以在模型相应的外表面施加热流密度如果输入的值为正,代表热流流入单元热流密度也仅适用于实体和壳单元.热流密度与对代表热流流入单元.热流密度也仅适用于实体和壳单元的值为正代表热流流入单元热流密度也仅适用于实体和壳单元热流密度与对流可以施加在同一外表面,但仅读取最后施加的面载荷进行计算. 流可以施加在同一外表面但ANSYS 仅读取最后施加的面载荷进行计算COMMAND: F GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Flux (5) 生热率生热率作为体载施加于单元上可以模拟化学反应生热或电流生生热率:生热率作为体载施加于单元上生热率作为体载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生它的单位是单位体积的热流率. 热.它的单位是单位体积的热流率它的单位是单位体积的热流率COMMAND: BF GUI:Main Menu | Solution | -Loads-Apply | -Thermal-Heat Generat 3.确定载荷步选项确定载荷步选项对于一个热分析,可以确定普通选项非线性选项以及输出控制.热分析的载可以确定普通选项,非线性选项以及输出控制对于一个热分析可以确定普通选项非线性选项以及输出控制热分析的载荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同,读者可以参阅本书结构静力分析部分的荷不选项和结构静力分析中的载荷步相同读者可以参阅本书结构静力分析部分的相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容.这里就不再详细讲解了这里就不再详细讲解了. 相关内容或基本分析过程中关于载荷步选项的内容这里就不再详细讲解了 4.确定分析选项确定分析选项在这一步需要选择求解器,并确定绝对零度在进行热辐射分析时,要将目前并确定绝对零度.在进行热辐射分析时在这一步需要选择求解器并确定绝对零度在进行热辐射分析时要将目前的温度值换算为绝对温度.如果使温度单位是摄氏度,此值应设定为如果使温度单位是摄氏度的温度值换算为绝对温度如果使温度单位是摄氏度此值应设定为273;如如果使是华氏度,则为果使是华氏度则为460. Command: TOFFST GUI: Main Menu | Solution | Analysis Options 5.求解求解在完成了相应的热分析选项设定之后,便可以对问题进行求解了便可以对问题进行求解了. 在完成了相应的热分析选项设定之后便可以对问题进行求解了Command: SOLVE GUI: Main Menu | Solution | Current LS 21.2.3 后处理ANSYS 将热分析的结果写入将热分析的结果写入*.rth 文件中它包含如下数据信息文件中,它包含如下数据信息它包含如下数据信息: (1) 基本数据基本数据: 节点温度(2) 导出数据导出数据: 节点及单元的热流密度节点及单元的热梯度单元热流率节点的反作用热流率其它对于稳态热分析,可以使用进行后处理.关于后处理的完整描述关于后处理的完整描述,可对于稳态热分析可以使用POST1 进行后处理关于后处理的完整描述可参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解.下面是几个关参阅本书第四章中关于利用通用后处理器进行结果观察分析的讲解下面是几个关键操作的命令和菜单路径. 键操作的命令和菜单路径 1.进入POST1 后,读入载荷步和子步读入载荷步和子步: 进入读入载荷步和子步COMMAND: SET GUI: Main Menu | General Postproc | -Read Results-By Load Step 2.在热分析中可以通过如下三种方式查看结果在热分析中可以通过如下三种方式查看结果在热分析中可以通过如下三种方式查看结果: 彩色云图显示COMMAND: PLNSOL, PLESOL, PLETAB 等GUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Nodal Solu, Element Solu, Elem Table 矢量图显示COMMAND: PLVECT GUI: Main Menu | General Postproc | Plot Results | Pre-defined or Userdefined 列表显示COMMNAD: PRNSOL, PRESOL, PRRSOL 等GUI: Main Menu | General Postproc | List Results | Nodal Solu, Element Solu, Reaction Solu 21.3 瞬态传热分析瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热.在工程上一瞬态热分析用于计算一个系统随时间变化的温度场及其它热在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析并将之作为热载荷进行应力分析. 般用瞬态热分析计算温度场并将之作为热载荷进行应力分析瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似.主要的区别是瞬态热分析中的载荷瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的.为了表达随时间变化的载荷首先必须将载荷为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷～是随时间变化的为了表达随时间变化的载荷首先必须将载荷～时间曲线分为载荷步.载荷时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,如下图示载荷～如下图示. 荷步载荷～时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步如下图示瞬态热分析载荷-时间曲线图21.2 瞬态热分析载荷时间曲线对于每一个载荷步,必须定义载荷值荷对应的时间值必须定义载荷值荷对应的时间值,同时必须指定载荷步的对于每一个载荷步必须定义载荷值荷对应的时间值同时必须指定载荷步的施加方式为渐变或阶越. 施加方式为渐变或阶越21.3.1 建模一般瞬态热分析中,定义材料性能时要定义导热系数密度及比热,其余建模过程与定义材料性能时要定义导热系数,密度及比热一般瞬态热分析中定义材料性能时要定义导热系数密度及比热其余建模过程与稳态热分析类似,这里就不再赘述这里就不再赘述. 稳态热分析类似这里就不再赘述21.3.2 加载求解中进行的分析一样,瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的和其它ANSYS 中进行的分析一样瞬态热分析进行加载求解时同样需要完成如下的工作.包括定义分析类型定义初始条件,施加载荷指定载荷步选项包括定义分析类型,定义初始条件施加载荷,指定载荷步选项,指定结果输出选工作包括定义分析类型定义初始条件施加载荷指定载荷步选项指定结果输出选项以及最后进行求解. 项以及最后进行求解1. 定义分析类型指定分析类型为瞬态分析,通用可以进行新的分析或进行重启动分析通用可以进行新的分析或进行重启动分析. 指定分析类型为瞬态分析通用可以进行新的分析或进行重启动分析 2.获得瞬态热分析的初始条件获得瞬态热分析的初始条件(1) 定义均匀温度场如果已知模型的起始温度是均匀的,可设定有节点初始温度如果已知模型的起始温度是均匀的可设定有节点初始温度Command: TUNIF GUI: Main Menu | Solution | -Loads- | Settings | Uniform Temp 如果不在对话框中输入数据,则默认为参考温度。

压力容器有限元分析

有限元的分析简介随着科技的进一步发展，传统的分析方法已不能满足现在社会的需求，以及更不能满足一些问题的精确分析，而有限元的出现和应用给机电、土木、航天等工业领域带来了历史性的突破。

ANSYS是有限元的应用软件，主要用于几何和网格划分、多物理场、结构力学、流体动力学、非线性结构、仿真过程及数据管理、显示动力学等多领域的应用有限元法是求解工程科学中数学物理问题的一种通用数值方法。

本书介绍有限元法的基本原理、建模方法及工程应用，强调理论与实践的结合。

全书包括两篇共16章，第1篇由第1〜10章组成，介绍有限元法的基本理论和方法，内容包括：有限元法基本理论、平面问题、轴对称问题和空间问题、杆梁结构系统、薄板弯曲问题以及热传导问题、结构动力学问题、非线性问题的有限元法。

有限元主要介绍有限元建模技术及基于ANS YS勺有限元分析工程应用，内容包括：有限元建模的基本流程、模型简化技术、网格划分技术、边界条件处理与模型检查以及基于ANS YS勺有限元分析工程应用实例。

创新实践课题：压力容器的有限元应力分析与设计一、问题描述1、如图1所示为一台①700立式储罐，其手孔的直径为①88, 材料为16MnR设计压力为13.5Mpa,工作压力为12.3Mpa,弹性模量为201GPa泊松比为0.3 ,要求利用有限元分析对此压力容器进行应力分析设计。

2 、立式储罐用途：主要用于储存气体，如燃气等，因为储罐密封性能好且能承受较高的压力，所以将气体压缩成液体后，方便于储存在储罐内。

二、设计基本参数如下表：图1在压力容器的应力分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的“校核线”代替校核截面。

该容器轴对称，所以只需考虑对储罐上半部分进行分析设计。

法兰上的螺栓力可以转化为一个集中力F,且F=82109N三、结构壁厚计算1.筒体厚度计算厚度： P C D i 2KS mP c设计厚度： dC2C 1名义厚度： n34mm有效厚度：e nC2C12.椭圆形封头厚度标准椭圆封头计算厚度：设计厚度：名义厚度：有效厚度：3.手孔厚度R 0.0165dC 2C in18mmenC 2 C i有限元建模分析本次分析采用ansys10.0 建立有限元分析和应力设计一、GUI操作方式定义工作文件名和工作标题（1）定义工作文件名：执行change jobname ，文件名命名为wuzu （2）定义工作标题：执行change title 命令，对文件的压力进行分析（3）关闭三角坐标符号定义单元类型和材料属性（1）选择单元类型：在elementtypes 命令中选择strucral solid和quad 8node82（2）设置单元选项：在element type option 命令框中选择k3 为axisymmertic（3）设置材料属性：在material number 命令框中设置ex 为2.01e11 ，prxy 为0.3二、建立几何模型(1)生成矩形面，在by dimensios中设置三个矩形面数据如下：350 ,384，0,28044,146,795.3,846.3,44 ，62,600,742.8(2)生成部分圆环面：执行partial a nn ulus 命令框中设置wpx,wpy,,theta1,rad,theta2, 分别为0,280,355,8.75,373,63 ，0,280,355,67,6383,90（3）面叠分操作：执行booleans下的areas命令A3和A5的面进行叠加（4）删除面操作：执行delete下的below命令，选择A6和A8的面（5）线倒角操作：执行lines下的lines fillet 命令，选择要倒角的两条线在rad文本框中输入20，这则另一倒角的两条线，在RAD 文本中输入10（6）线生成面操作：点击by lines 命令选择如下两组三条线生成两个面（7）面相减操作，在boolsean下的areas选择A10和A3两个面生成如下图（8）面向加操作：在boolsean下的add aaread选择如下四个面生成如下图生成关键点：选择A2面中的L5在line ratio 选项框中输入0.348 生成关(9)生成关键点：在ratio 下输入line ratio=0.348, 生成关键点21.(10)生成线，拾取“ 15, 20” “22, 19” “ 14, 17” “ 11, 21” “3, 13” “4, 16” “5, 12” “21, 5” “24, 18”关键点生成九条线。