基于ANSYS的輸油棧橋供熱管道熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

葉洋帆，張文輝，聞 志，葉曉平，游張平

(1. 浙江省工程物探勘察設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310000；2. 南京曉莊學(xué)院 電子工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；3. 浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310000；4. 麗水學(xué)院 工學(xué)院，浙江 麗水 323000；5. 浙江省航空航天金屬導(dǎo)管塑性成形技術(shù)與裝備重點實驗室，浙江 麗水 323000；6. 浙江省文創(chuàng)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與智能制造重點實驗室，浙江 麗水 323000)

熱-結(jié)構(gòu)耦合問題是結(jié)構(gòu)分析中經(jīng)常遇到的一類耦合分析問題[1-3].結(jié)構(gòu)溫度場的分布不均會引起結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，或者結(jié)構(gòu)部件在高溫環(huán)境中工作受到溫度的影響會發(fā)生性能的改變，這些都是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時需要考慮的因素[4-6].為此需要先進(jìn)行相應(yīng)的熱分析，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失，熱梯度，熱流密度等[7].

本文針對輸油棧橋供熱管道的軸對稱特點，采用截面法進(jìn)行了有限元分析.首先定義材料的屬性，進(jìn)而建立截面有限元模型，定義邊界條件，明確內(nèi)外邊界對流系數(shù)和內(nèi)外壁溫度等參數(shù)，最后進(jìn)行求解，獲得其形變圖，熱梯度等值線圖，溫度場分布圖，熱流量等值線等重要數(shù)據(jù).該方法對輸油棧橋供熱管道及其他類似對稱結(jié)構(gòu)部件的動態(tài)指標(biāo)分析、研發(fā)具有重要工程指導(dǎo)意義.

1 有限元模型建立

圖1 供熱管道接頭部位

1.1 屬性定義

帶供熱片的軸對稱管，其管道和供熱片均為不銹鋼，管內(nèi)為熱流體.供熱管道接頭部段如圖1所示.參考供熱管實際工況[7]，相關(guān)參數(shù)為：管內(nèi)壓力為7.5 MPa，管內(nèi)流體溫度為250 ℃，管外為空氣，管外流體溫度為39 ℃.材料數(shù)據(jù)如下.

彈性模量：1.93 MPa

柏松比：0.3

熱膨脹系數(shù)(/℃)：1.62e-5

熱導(dǎo)系數(shù)(W/m·℃)：25.96

圖2 創(chuàng)建截面模型

管內(nèi)表面對流系數(shù)(W/(m2·℃) ：249.23

管外表面對流系數(shù)(W/(m2·℃))：62.3

定義分析范疇：熱應(yīng)力(Structure-Therma)

定義熱系數(shù)：25.96

定義材料力學(xué)性能參數(shù)，彈性模量EX和泊松比分別為1.93e5和0.3

定義材料的熱膨脹系數(shù)：1.62e-5

1.2 創(chuàng)建供熱管道有限元模型

由圖1可以看出，供熱管道是軸對稱圖形，取其管道接頭部位截面進(jìn)行研究，建模如下[5]：

(1)創(chuàng)建截面平面幾何模型(圖2)；(2)對截面進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分(圖3)；(3)定義邊界并求解(圖4).定義外表面對流系數(shù)62.3，外表面溫度39 ℃，對流系數(shù)249.23，內(nèi)表面溫度250 ℃，載荷為管內(nèi)壓力7.5 MPa.

圖3 劃分有限元網(wǎng)格

圖4 定義模型參數(shù)

2 供熱管道熱-結(jié)構(gòu)解耦分析

圖5 熱流量分布情況圖

2.1 熱流量求解

熱流量是一定面積的物體兩側(cè)存在溫差時，單位時間內(nèi)由導(dǎo)熱、對流、輻射方式通過該物體所傳遞的熱量，單位W.選擇求解器求解后結(jié)果如下[8]：

通過求解后獲得熱流量分布情況如圖5所示.由圖中可知：SMX是指節(jié)點熱流量中深色區(qū)域最大值為172.721；SMN是指節(jié)點熱流量中淺色區(qū)域最小值為0.657e-12，這說明供熱管道內(nèi)部熱流量最高，并呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.

2.2 熱梯度求解

熱梯度又叫“溫度梯度”，即溫度變化的速度與方向，選擇求解器求解后結(jié)果如下：

圖6 供熱管道截面熱梯度分布等值線圖

由圖6中可知：熱梯度結(jié)果中最大的解為6.65335.熱梯度結(jié)果中最小的解為0.253e-13.這說明熱梯度由熱流量決定梯度分布，并呈現(xiàn)相同變化.

2.3 位移分布等值求解

位移分布等值求解主要獲得溫度造成的位移改變量[9]，即發(fā)生位移后和發(fā)生位移前的圖像(線框為發(fā)生位移前的)，選擇求解器求解結(jié)果.由圖7中可知： DMX最大位移為0.246844 mm，節(jié)點位移結(jié)果中最大的解為0.246844 mm，在深色區(qū)域.位移結(jié)果中最小的解為0.157803 mm，在淺色區(qū)域.這說明受到熱脹冷縮的影響，熱梯度大的地方，變形位移較大；壁厚與位移量呈正比，在散熱片半徑大的區(qū)域，位移更小.

2.4 等效應(yīng)力求解

等效應(yīng)力是指一種應(yīng)力作用效果可以逆轉(zhuǎn)化成無數(shù)種特定的受力形式，這種應(yīng)力作用效果對于這無數(shù)種特定的受力形式來說叫做等效應(yīng)力[10，11].

由圖8中可知：節(jié)點等效應(yīng)力結(jié)果中最大的解為564.736 MPa.節(jié)點等效應(yīng)力結(jié)果中最小的解為31.3215 MPa.這說明受熱最大的地方，其等效力最大.

2.5 溫度分布求解

圖7 供熱管道截面位移分布等值線圖

圖8 供熱管道截面等效應(yīng)力場分布等值線圖

圖9 供熱管道截面溫度分布等值線圖

由圖9中可知：節(jié)點溫度結(jié)果中最大的解為249.326 ℃.節(jié)點溫度結(jié)果中最小的解為39 ℃.這說明熱梯度流量越大的地方，溫度越高，隨著遠(yuǎn)離管道內(nèi)壁，溫度越來越低.

3 結(jié)論

由于結(jié)構(gòu)溫度場的分布不均會引起結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力，因此研究輸油棧橋供熱管道的熱-結(jié)構(gòu)耦合對于產(chǎn)品改進(jìn)具有重要意義.基于ANSYS對供熱管道的熱-結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)行了分析，獲得了如下結(jié)論：

(1) 定義了供熱管道的材料屬性及工況環(huán)境；采用截面法對供熱管道進(jìn)行建模，降低了計算量，簡化了分析流程；

(2) 對其進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，通過對熱流量與熱梯度的分析，可知管道內(nèi)側(cè)熱流量最大172.721 W，熱梯度最大值6.65335；

(3) 對輸油棧橋供熱管道位變形、等效應(yīng)力和溫度分布進(jìn)行了分析，求解結(jié)果表明最大位移為0.246844 mm，最大應(yīng)力為564.736 MPa，最高溫度249.326 ℃.

所采用的分析方法為供熱管道的改進(jìn)提供了借鑒，加快了產(chǎn)品研發(fā)周期.所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)論對供熱管道的研發(fā)與性能改進(jìn)具有一定借鑒意義.