工程计算方法及软件应用--本科生考查大作业

工程计算方法与软件应用

本科生大作业

考核方式：考查（成绩按各软件的课外作业成绩综合给出）。

各软件讲完后1~2星期内上交作业。

一、CAD/CAE软件作业（每个学生完成下列任意一题）

题目一：

一端固定支撑，一端集中力的梁，横截面为10x10cm，长为150cm，受集中载荷作用，P=50N。弹性模量E=70GPa，泊松比r=0.2。用ABAQUS 软件建模并计算最大应力和最大位移的位置和大小。

（1）二维；（2）三维

图1梁受力简图

题目二：

图中所示为一个连接件，一端焊接到设备母体上，一端在圆柱销子作用下的圆孔，圆孔下半周受到30 kN的均布载荷作用，用ABAQUS 软件建模并计算最大应力和最大位移的位置和大小。

图2 连接件受力简图

题目三：

如图3所示为一薄壁圆筒，在圆筒中心受集中力F作用，对此进行受力分析，并给出应力、位移云图，并求A、B两点位移。

圆筒几何参数：长度L=0.2m；半径R=0.05m壁厚t=2.5mm。

材料参数：弹性模量E=120Gpa；泊松比0.3

载荷：F=1.5kN。

图3薄壁管受力简图

题目四：

如图4所示为一燃气输送管道截面及受力见图，试分析管道在内部压力作用下的应力场。

几何参数：外径0.6m，内径0.4m，壁厚0.2m

材料参数：弹性模量E=120Gpa；泊松比0.26

载荷P=1Mpa。

图4燃气管受力简图

题目五：

如图5为一三角桁架受力简图，途中各杆件通过铰链链接，杆件材料及几何参数见表1和表2所示，桁架受集中力F1=5kN、F2=2.5kN 作用，求桁架各点位移及反作用力。

图5 三角桁架受力简图

表1 杆件材料参数

表2 杆件几何参数

二、CFD软件作业（每个学生完成下列任意一题）

基本格式：选用经典算例或实际问题进行模拟，包括研究背景与意义，问题描述，几何建模，物理建模，网格考核，数据验证和结果分析与讨论，参考文献。

题目1：等角速度旋转问题

一圆柱形容器（见图1），直径为d=300mm，高H=500mm，容器内装水，水深h1=300mm，容器绕其中心铅直轴线等角速度旋转，计算转速分别为20，40，60，80，100，120，140，160rpm时的液面变化情况，并获得液体的压强规律。可以采用流体力学静力学的相关知识验证。

图1

题目2：流量计问题

一标准孔板流量计，结构尺寸见图2，管道内径D为50mm，孔板厚度E为3mm，节流孔厚度e为0.8mm，求速度场的分布云图，压力的分布云图，不同Re、 时管中心压力P随轴向的变化曲线，孔

板流量计的流出系数C随Re、β的变化关系。计算工况表见下表1。（每人计算2个工况，共72个工况）。流出系数C的定义查找流体力学书籍或相关文献。

图2 孔板流量计结构

表1 计算工况表

题目3：换热问题

一换热管（题3.1为圆形截面换热管，内径为φ20；题3.2为标准椭圆截面换热管30⋅15mm），管内介质为水，进口温度20℃，计算换热管内的流动和换热过程，获得管内流体的速度场、温度场；获得Nu、f随Re的变化关系，获得两种边界条件下，各流体断面平均温

度t f与壁面温度T w随轴向的变化规律（参照传热学图6-7）。计算时管壁边界分别采用恒壁温（T w=50℃）和恒热流密度（q=50kW/m2）两种边界条件计算。

层流时Re分别取500，1000，1500，2000；

湍流时Re取104，2×104，5×104，8×104，105。

图3.1 圆管图3.2 标准椭圆截面管

题目4：圆柱等绕流的层流数值模拟

在层流范围内利用cfd软件对圆柱等几何体进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目5：圆柱等绕流的湍流数值模拟

在湍流范围内利用cfd软件对圆柱等几何体进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目6：后台阶流动的层流模拟计算

在层流范围内利用cfd软件对后台阶等几何体进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目7：后台阶流动的湍流模拟计算

在湍流范围内利用cfd软件对后台阶等几何体进行数值模拟计

算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目8：圆管等通道内的层流计算（恒热流）

在层流范围内利用cfd软件对圆管等通道进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目9：圆管等通道内的湍流计算（恒热流）

在湍流范围内利用cfd软件对圆管等通道进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目10：圆管等通道内的层流计算（恒壁温）

在层流范围内利用cfd软件对圆管等通道进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

题目11：圆管等通道内的湍流计算（恒壁温）

在湍流范围内利用cfd软件对圆管等通道进行数值模拟计算，与经典数据或文献数据进行对比。

三、流程模拟技术及ASPEN软件作业（每个学生完成下列任意一题）

题目1、完成甲醇塔的热量及物料衡算

要求：

⑴建立流程图；

⑵输入物料；

⑶选择合适的物性方法；

⑷查看计算结果。

题目2、

甲基环几烷(MCH)和甲苯(Toluene)由于沸点非常接近,采用普通的二元蒸馏方法难以分离,我们采用苯酚(Phenol)抽提法来将二者分离,几乎纯净的甲基环几烷从塔顶回收。

回收的MCH纯度取决于苯酚的加入量,模拟该工艺,研究该塔的性能,具体的工艺流程图和操作条件如下: