高压闪蒸槽封头轴对称模型的耦合场分析-ANSYS课程设计.doc

课程设计任务书武汉力学-乌鸦 124411319题目：高压闪蒸槽封头轴对称模型的耦合场分析（温度载荷） 初始条件：分析算例各项参数见任务书附件，ANSYS有限元分析软件，计算机要求完成的主要任务：1. 针对给出的分析算例，使用ANSYS软件对其具体问题进行正确的有限元分析，并将GUI详细的分析过程写入计算分析报告；2. 将GUI分析过程编辑并保存为命令流程序，附说明并使之能正确运行；3. 编写详细的计算分析报告（包含问题描述、所用单元介绍、几何模型的建立、有限元分析模型的建立过程、边界条件的施加过程、问题求解以及结果后处理），结果分析讨论要充分，将其打印装订并上交作为评分的依据。时间安排：1. 查阅资料，熟悉相关分析问题，确定分析类型； 1天2. 针对给出的分析算例建立正确的有限元模型； 2天3. 完成加载、求解并得到正确的计算结果； 2天4. 对计算结果进行后处理，包括应力云图、路径曲线等； 1天5. 将GUI分析过程编辑保存为命令流程序，并对其进行调试； 1天6. 根据任务书的要求和课程设计的格式编写详细的计算分析报告； 2天7. 进行答辩质疑工作。 1天指导教师签名： 系主任（或责任教师）签名： 1. 内衬材料结构与计算参数高压闪蒸槽（4600/3900, T-T=6920，搪铅 6 mm） 1.1 砖结构 三层耐酸耐温高级陶砖，从壳壁至中心砖层厚度依次为：60+131+131mm； 陶砖规格分别为： 外层：230(轴向)200（环向）60（径向）；中层：230(轴向) 65（环向）131（径向）；内层：230(轴向) 65（环向）131（径向）。1.2 胶泥 从壳壁至中心依次为： Dolit 788+Dolit 788+Stellakitt AE；每层砖之间胶泥厚度为 6mm； 每个砖缝之间胶泥厚度为 4mm（环向砖缝和垂直砖缝）。1.3 隔离层 钢壳体与最外层砖之间设置隔离层：即6mm厚的铅；4mm 陶瓷纸。1.4 载荷 设计压力:3.8MPa，设计温度:280，环境温度:20，换热系数:30 w/(m2.)。1.5 材料的性能参数材料品种壳体钢材陶砖胶泥铅陶瓷纸VP788AE1抗拉强度MPa78572抗弯强度MPa17183抗压强度MPa12015052704弹性模量GPa210156151655线胀系数10-6C-1125131312.666导热系数W/m.k420.3921.75350.0657泊松比0.30.30.30.30.30.38密度kg/m378002300160021501130020009厚度mm90武汉理工大学有限元分析与应用课程设计说明书高压闪蒸槽封头轴对称模型 的耦合场分析（温度载荷）1. 问题分析 该问题属于温度荷载作用下的耦合场分析，根据其轴对称性，选一个纵截面的一半建立几何模型，为了方便建立模型，需要把闪蒸槽的封头的开口忽略掉，把整个问题看成是轴对称问题进行分析，采用整体耦合的方法，所以选取PLANE13单元建立几何模型。2. 单元介绍PLAN13是耦合单元，可以进行结构、热、电磁等多物理场耦合，具体耦合场的设定就是通过单元的K1关键字即是自由度来进行选取的。如果选择UX、UY,则只有结构自由度；而选UX,UY,TEMP,AZ则包括结构自由度、温度自由度。K1关键字选取不一样当然结果会不一样的。两个载荷步分析中，有耦合的载荷步需要施加结构和热载荷，没有耦合的施加一种热或结构载荷。3. ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。 ANSYS软件主要包括三个部分：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，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，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、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）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。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。4. 求解步骤 4.1 建立工作文件名和工作标题4.1.1 选择Utility Menu | File | Change Jobname命令，出现Change Jobname对话框，在/FILNAM Enter new jobname输入框中输入工作文件名Huang Qianwen,单击OK按钮关闭该对话框。4.1.2 选择Utility Menu | File | Change Title命令，出现Change Title对话框，在输入框中输入Huang Qianwen，单击OK按钮关闭对话框。 4.2 定义单元类型4.2.1 选择Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete命令，出现Element Type对话框。4.2.2 单击Add按钮，出现Library of Element Types对话框，在Library of Element Types列表框中选择Coupled Field,Vector Quad 13,在Element type reference number输入框中输入1 ，单击OK按钮关闭对话框。4.2.3 单击Element Type对话框上的Options按钮，出现PLANE13 element types options对话框，在Element degrees of freedom K1选择菜单中选择VOLT AZ,在Element behavior K3选择菜单中选择Axisymmetric，单击OK按钮关闭该对话框。 4.2.4 单击Element Types对话框上的Close按钮关闭对话框。4.3 定义材料性能参数4.3.1 选择Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models命令，出现Define Material Model Behavior对话框。4.3.2 在Material Models Available栏依次双击Thermal | density，在出现的对话框中DENS栏中输入2300，单击OK按钮关闭对话框。4.3.3 在Material Models Available栏依次双击Structural | Linear | Elastic | Isotropic在出现的对话框中EX栏中输入1.5E10,PRXY栏中输入0.3。4.3.4 在Material Models Available栏依次双击Structural | Thermal Expansion | Secant Coefficient | Isotropic在出现的对话框中ALPX栏中输入5E-6。4.3.5 在Material Models Available栏依次双击Thermal | Conductivity | Isotropic在出现的对话框中KXX栏中输入0.39。4.3.6 重复5.3中的步骤（1）到步骤（5），依次把其余材料的参数数据按下表输入。23456DENS780016002150200011300EX2.1E116E91.5E101.6E105E9PRXY0.30.30.30.30.3ALPX1.2E-51.3E-51.3E-51.26E-56E-6KXX4221.75350.0654.3.7 在Define Material Model Behavior对话框上选择Material | Exit关闭该对话框。4.4 创建几何模型4.4.1 选择Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | At WP Origin命令，出现Create Local CS at WP Origin的对话框，在KCN Ref number of new coord sys的输入框内输入11，在PAR1 First parameter的输入框内输入0.5，在PAR2 Second parameter的输入框内输入1，单击OK按钮关闭对话框。4.4.2 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Keyopints | In Active CS命令，输入点1（-2,300），2（2,300），单击OK按钮关闭对话框。4.4.3 选择Main Menu: Preprocessor | Modeling | Create | Lines | lines | Straight lines命令，连接两点1、2，单击OK按钮关闭对话框。4.4.4 选择Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Global Cartesian命令，单击OK按钮关闭对话框。4.4.5 重复5.4中的步骤（1）、（2）、（3）、（4）操作，将各个坐标点和连线的数据分别按下表输入：（1）成线（2）坐标点（3）连线11、0.48、13（-2,210） 4（2,210）3，411、0.478、15（-2,204） 6（2,204）5, 611、0.477、17（-2,200） 8（2,200）7，811、0.476、19（-2,194） 10（2,194）9，1011、0.461、111（-2,134） 12（2,134）11，1211、0.46、113（-2,128） 14（2,128）13，1411、0.424、115（-1,997） 16（1,997）15，1611、0.422、117（-1,991） 18（1,991）17，1811、0.382、119（-1,860） 20（1,860）19，204.4.6 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Lines | lines | Straight lines命令，连接特征点1和3、2和4、3和5、4和6、5和7、6和8、7和9、8和10、9和11、10和12、11和13、12和14、13和15、14和16、15和17、16和18、17和19、18和20，单击OK按钮关闭对话框。4.4.7 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Areas | Arbitrary | By Lines命令，在输入框内输入1,11,2,20，单击OK按钮关闭对话框。4.4.8 重复上述5.4中的步骤（7），分别在输入框输入数据2,12,3,21； 3,13,4,22; 4,14,5,23; 5,15,6,24; 6,16,7,25; 7,17,8,26；8,18,9,27和 9,19,10,28，再通过各个点生成相应的8个面。4.4.9 选择Utility Menu | Plot Ctrls | Numbering命令，在出现的对话框中勾选Area numbers复选框，单击OK按钮关闭对话框。4.4.10 选择Utility Menu | WorkPlane | Offset WP by Increuments命令，在X,Y,Z,Offsets栏中输入0,0,-90，在XY,YZ,ZX,Angels栏中输入0,0,-0.3355，单击OK按钮关闭对话框。4.4.11 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Booleans | Divide | Area by Workplane命令，在出现的对话框中单击pick all。4.4.12 选择Main Menu | Preprocessor | Modeling | Delete | Area and Below命令，选择其余的各个面，单击OK按钮关闭对话框。4.4.13 选择Utility Menu | WorkPlane | Offset WP by Increuments命令，在X,Y,Z,Offsets栏中输入0,0,90，在XY,YZ,ZX,Angels栏中输入0,0,-0.3355，单击OK按钮关闭对话框。4.4.14 选择Main Menu | Preprocessor | Numbering Ctrls | Compress Numbers命令，在出现的对话框下拉菜单中选择ALL，单击OK按钮关闭对话框。4.5 划分网格4.5.1 选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Attributes命令，出现Mesh Attributes对话框，在MAT Material number选择菜单中选择1，在REAL Real constant set number选择菜单中选择1，单击OK按钮关闭该对话框。4.5.2 选择Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh | Area命令，出现Mesh Area拾取菜单，在输入框输入1，单击OK按钮关闭该菜单。4.5.3 重复上述5.5中的步骤（1）和步骤（2），选取材料和实常数相对应的面，对其余各个面附上材料属性。4.5.4 选择Main Menu | Preprocessor | Mesh | MeshTool命令，单击MeshTool对话框中Global栏中的Set，在出现的对话框中Element edge length栏中输入0.004，单击OK回到MeshTool对话框，单击Mesh，出现Mesh Areas对话框，单击Pick all。 4.5.5 选择Utility Menu | File | Save As命令，出现Save Database对话框，在Save Database to输入框中输入Huang Qianwen1.db，保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。5.6 加载求解4.6.1 选择Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择分析类型为Transient。单击OK按钮，出现Transient Analysis对话框，采用其默认设置，单击OK按钮关闭该对话框。4.6.2 选择Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On lines命令，在出现的对话框中输入1,2,3,4,5,6,7,8,9。单击OK，出现Apply U，ROT on lines对话框，在DOFs to be constrained栏中选择UY，在Displacement value栏中输入0，单击OK按钮关闭对话框。4.6.3 选择Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines命令，在出现的拾取对话框中输入28单击OK，出现Apply CONV on lines对话框，在Film coefficient栏中框入30，在Bulk temperature栏中框入280，单击OK按钮关闭对话框。4.6.4 选择Solution | Define Loads | Apply | Thermal | Convection | On Lines命令，在出现的拾取对话框中输入28,单击OK，出现Apply CONV on lines对话框，在Film coefficient栏中框入30，在Bulk temperaure栏中框入20，单击OK按钮关闭对话框。4.6.5 选择WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | At WP Origin命令，出现Create Local CS at WP Origin对话框，在KCN Ref number of new coord sys输入框中输入14，在KCN Type of coordinate system选择菜单中选择Sphercial 2，单击OK按钮关闭对话框。4.6.6 选择Main Menu | General Postproc | Options for Outp命令，出现Options for Outp的对话框，在RSYS Result coord system的选择菜单中选择Local system，在Local system reference no. 的输入框中输入14，单击OK按钮关闭对话框。4.6.7 选择Utility Menu | Select | Everything命令。4.6.8 选择Utility Menu | File | Save As命令，出现Save Database对话框，在Save Database to输入栏中输入Huang Qianwen2.db，保存操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。4.6.9 选择Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，单击Solve Current Load Step对话框上的OK按钮，ANSYS开始计算。求解结束后ANSYS显示窗口出现Note提示框，单击Close按钮关闭该对话框。4.6.10 选择Utility Menu | File | Save As命令，出现Save Database对话框，在Save Database to输入框中输入Huang Qianwen3.db，保存求解结果，单击OK按钮关闭该对话框。5查看求解结果5.1 整体结果5.1.1 选择General Postproc | Plot Results |Read Result | Last Set命令。5.1.2 选择General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured栏中选择Nodal Solution | DOF Solution | Displacement vector sum,单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示整体位移图，如图1所示。 图1 高压闪蒸槽封头整体位移图5.1.3 选择General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured栏中选择Nodal Solution | DOF Solution | Nodal Temperature,单击OK按钮，ANSYS显示窗口将显示温度场分布等值线图，如图2所示。 图2 高压闪蒸槽封头整体温度图5.2 整体结果分析5.2.1 整体位移最大值出现在高压闪蒸槽封头和筒体连接的附近，最大值为2.269mm。理论上此位置是曲率比较大的区域，在内部温度压力的作用下，压力也比较大。最小位移值为0.17mm。出现在曲率比较小的顶部区域。5.2.3 由于闪蒸槽封头的内部温度很高，外部的温度相比很低，所以温度是从内部传到外部的，所以对于温度分布情况，在有导热的情况下，温度分布从内到外逐渐降低，符合实际情况。5.3 局部结果5.3.1 陶砖局部应力分布图如下图。 图3 陶砖径向应力分布图 图4 陶砖径向应力分布局部放大图 图5 陶砖经向应力分布图 图6 陶砖经向应力分布局部放大图5.3.2 胶泥VP788局部应力分布图 图7 胶泥VP788径向应力分布图 图8 胶泥VP788径向应力分布局部放大图 图9 胶泥VP788经向应力分布图 图10 胶泥VP788经向应力分布局部放大图5.3.3 胶泥AE局部应力分布图 图11 胶泥AE径向应力分布图 图12 胶泥AE径向应力分布局部放大图