熱膨脹過程中流固耦合應(yīng)力分析的等效方法

王澤寶+趙鵬+馮能蓮+丁能根

摘要： 密閉容器內(nèi)的液體受熱膨脹后，會(huì)擠壓容器并使其受力變形直至破裂，而傳統(tǒng)的流固耦合分析方法難以解決這種流固耦合場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的問題.利用等效表面載荷的方法來模擬膨脹的液體與固體之間的相互作用，可分析在溫度升高過程中內(nèi)部充滿液體的某個(gè)容器的受力情況.通過本方法對(duì)容器進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析，可等效得到容器某個(gè)部分結(jié)構(gòu)失效時(shí)，容器內(nèi)壁所受載荷的具體大小及其容積的變化，并可對(duì)應(yīng)得到某處結(jié)構(gòu)失效時(shí)刻的準(zhǔn)確溫度.該方法可有效解決多場(chǎng)耦合的問題，并且省去液體模型，提高分析和計(jì)算速度.結(jié)合電池冷卻箱受熱膨脹的算例進(jìn)一步闡釋該方法.

關(guān)鍵詞： 密閉容器； 熱膨脹； 結(jié)構(gòu)失效； 應(yīng)力； 流固耦合； 多場(chǎng)耦合； 等效方法

中圖分類號(hào)： TB115文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： While the liquid in an airtight container is being heated， the container will be deformed and even fractured. It can hardly be solved by traditional fluidsolid coupling analysis method， because it is a multifield coupling problem， which includes fluidsolid coupling field， stress field， temperature field， and so on. A method of equivalent surface load is proposed to simulate the fluidsolid interaction in the process of thermal expansion， which can be used for stress analysis on the force of a container filled with liquid in the process of temperature increase. With the dynamic stress analysis of the container using the method， the specific load on the container inner wall and the volume change can be obtained when the structural failure appears， and the accurate temperature of the failure part at the failure time can be obtained. The method can effectively solve the multifield coupling problem， and the speed of analysis and calculation can be improved while the liquid model is omitted. The method is further explained by the thermal expansion example of a battery cooling tank.

Key words： airtight container； thermal expansion； structural failure； stress； fluidsolid coupling； multifield coupling； equivalent method

0引言

若密閉固體容器內(nèi)充滿某種液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于液體受熱膨脹明顯比固體要大，所以液體會(huì)擠壓容器內(nèi)壁，造成其變形甚至破裂.為確認(rèn)容器破裂時(shí)的準(zhǔn)確溫度，應(yīng)對(duì)固體容器進(jìn)行多場(chǎng)分析，包括流固耦合場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等的分析，但是傳統(tǒng)的流固耦合方法難以完成多場(chǎng)分析[1].同時(shí)，某些容器內(nèi)表面構(gòu)型比較復(fù)雜，若對(duì)液體模型劃分網(wǎng)格，計(jì)算量過大.為解決這些問題，考慮省去液體模型，通過在容器內(nèi)表面施加均勻壓力模擬液體與容器之間的作用，在有限元軟件中提取容器變形前與變形后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，借用ImageWare將節(jié)點(diǎn)擬合成閉合的曲面[2]，并在SolidWorks中由閉合曲面構(gòu)成實(shí)體后得到其體積[3]，此體積即為等效液體的體積，利用液體溫度、壓強(qiáng)和體積之間的關(guān)系即PTV特性，對(duì)應(yīng)得到此時(shí)等效液體的溫度.

1液體等效方法

連通的液體在同一高度的壓強(qiáng)處處相等.因?yàn)榇蟛糠秩萜鲀?nèi)液體高度差較小，在液體熱膨脹過程中，抵抗容器內(nèi)壁壓縮的壓力遠(yuǎn)大于因高度差造成的壓力，所以可以假設(shè)溫度升高過程中液體對(duì)容器內(nèi)壁作用的壓力處處相等.在其彈性變形內(nèi)，容器內(nèi)表面受力大小決定容器變形大小，因此可將液體模型省去，通過在容器內(nèi)表面施加均勻壓力模擬液體與容器之間的作用，并通過逐步加大壓力來模擬液體受熱膨脹過程中對(duì)容器內(nèi)表面的擠壓過程.

2等效液體的PVT特性

2.1液體的體積模量

假設(shè)在壓強(qiáng)P0作用下，一定量液體的體積為V0，當(dāng)壓強(qiáng)變化為dp時(shí)的體積變化量為dv，則液體的體積模量[4]K=-dPd（V/V0） （1）普通液體的體積模量在不同溫度、不同壓力下變化不大，可視為固定值.大部分液體的體積模量可查，比如水的體積模量為2.18 GPa左右；若需得到某種特定液體的體積模量，可用邁克爾遜干涉儀等方式進(jìn)行測(cè)量.[5]

2.2冷卻液體積與溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系

隨著溫度的升高，液體的密度減小，常用液體的密度表可查閱相關(guān)手冊(cè)[6]，而特定液體不同溫度下的密度（不考慮相變）可用密度儀測(cè)得[7].在一定壓強(qiáng)作用下，假設(shè)液體20 ℃時(shí)體積為V0，密度為ρ0，若溫度增加到T時(shí)，液體的密度為ρT，在液體所受壓強(qiáng)不變的情況下，可知此時(shí)冷卻液的體積只與溫度有關(guān)，即VT=V0×ρ0ρT （2）假設(shè)溫度T下液體所受壓強(qiáng)增加P，根據(jù)體積模量K的定義可知，此時(shí)冷卻液體積會(huì)相對(duì)縮小，縮小的體積占原總體積的P/K，因此，此時(shí)冷卻液體積V（T，P）=V0×ρ0ρT×1-PK （3）密閉容器內(nèi)的液體在受熱膨脹擠壓容器內(nèi)壁的過程中，當(dāng)溫度T升高時(shí)，液體作用于殼體的壓強(qiáng)P隨之增加.同時(shí)，容器內(nèi)腔的體積也逐漸增大.假設(shè)溫度升高到T1后變形達(dá)到平衡時(shí)的液體壓強(qiáng)為P1，冷卻液體積變?yōu)閂1，根據(jù)式（1）可得此時(shí)冷卻液體積V1與壓強(qiáng)P1和溫度T1之間的關(guān)系為V1=V0×ρ0ρT1×1-P1K （4）在等效方法中，已知液體的體積模量K與初始溫度下液體的密度ρ0，在容器內(nèi)壁施加垂直于內(nèi)壁表面且處處相等的壓力P1之后，根據(jù)變形前的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和變形后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，在ImageWare軟件中分別構(gòu)造變形前和變形后的封閉曲面，并導(dǎo)入到SolidWorks中生成實(shí)體模型，計(jì)算變形前和變形后的體積V0與V1，可以得到在溫度變化之后等效液體的密度ρT，查看液體不同溫度下的密度表，可得到此時(shí)等效液體的溫度T1.

3算例及結(jié)果

以某電動(dòng)車電池冷卻箱冷卻液的熱膨脹受力過程為例進(jìn)行實(shí)例計(jì)算.冷卻箱的進(jìn)、出液口因火焰或其他外部環(huán)境影響而堵塞，整個(gè)冷卻箱成為一個(gè)密閉的容器，冷卻液充滿在整個(gè)冷卻箱中.利用本文的等效方法求解箱體某個(gè)部位結(jié)構(gòu)失效時(shí)的準(zhǔn)確溫度.

整個(gè)電池箱分為上下蓋板和側(cè)圍板，其中在下蓋板上開有V型槽，使得箱體更容易在下方破裂.冷卻箱的計(jì)算模型見圖1.冷卻液為50%乙二醇水溶液，其密度表[8]見表1.整個(gè)箱體為6061T4鋁合金材料，其主要材料屬性[9]見表2.對(duì)冷卻箱側(cè)圍板與車架固連的6個(gè)位置對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)施加全約束，在冷卻箱內(nèi)表面依次施加0.2，0.4，0.6，0.8和1.0 MPa的壓強(qiáng)，有限元模型求解完成后分別提取各載荷步下冷卻箱模型內(nèi)表面上所有節(jié)點(diǎn)的位移并與變形前相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)疊加[10]，通過ImageWare將節(jié)點(diǎn)逆向擬合為曲面，導(dǎo)入SolidWorks中生成實(shí)體模型并計(jì)算內(nèi)表面圍成的體積，可以得到等效冷卻液的體積，見表3.

按照式（4），通過計(jì)算和查表得到不同冷卻液壓力下的冷卻液等效溫度，見表4.與材料的最大許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)整個(gè)冷卻箱最大應(yīng)力出現(xiàn)在V型槽處，且當(dāng)內(nèi)表面施加的壓力為0.85 MPa時(shí)，V型槽處的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度.對(duì)應(yīng)表4可知，在等效冷卻液溫度升高到大約61 ℃時(shí)，冷卻箱會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效.

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)熱膨脹過程中的流固耦合應(yīng)力分析，提出一種等效分析方法.該方法采用等效液體模型，省去液體建模及其網(wǎng)格劃分的工作，使有限元分析工作量減少，提高分析與計(jì)算速度；綜合考慮流固耦合場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可有效解決熱膨脹過程中的流固耦合應(yīng)力分析問題.參考文獻(xiàn)：

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