吳　航（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 226000）

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基于ANSYS的熱輻射應(yīng)力分析

吳航
（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院 南通 226000）

摘 要：Ansys是常用的壓力容器復(fù)雜工況的有限元分析軟件，可以用來(lái)計(jì)算設(shè)備或者部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力。在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，首先應(yīng)該確定熱量的傳遞方式。在三種熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流，熱輻射中，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流可以直接調(diào)用ansys的分析模塊進(jìn)行計(jì)算，而熱輻射不存在直接的計(jì)算方法。本文通過(guò)調(diào)用AUX12求解器模塊，將存在熱輻射的兩個(gè)表面定義為輻射矩陣，通過(guò)超單元MATRIX50來(lái)實(shí)現(xiàn)定義輻射傳熱，從而解決了存在熱輻射工況條件的設(shè)備的熱應(yīng)力計(jì)算。

關(guān)鍵詞：Ansys 熱輻射 輻射矩陣

壓力容器廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、原子能等各種行業(yè)。在實(shí)際生產(chǎn)中，壓力容器常常會(huì)處于復(fù)雜溫度的工況條件下，使得部件承受較大的溫度應(yīng)力。隨著非標(biāo)設(shè)備的越來(lái)越多，傳統(tǒng)的計(jì)算方法已經(jīng)無(wú)法滿足某些復(fù)雜工況下的計(jì)算。

有限元方法是目前應(yīng)用較為成熟的一種非標(biāo)設(shè)備應(yīng)力計(jì)算方法。Ansys軟件是目前應(yīng)用最廣的有限元軟件，可以計(jì)算熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流形式下的溫度應(yīng)力，而熱輻射由于其原理的復(fù)雜性，使得其求解的難度較熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流更高。本文通過(guò)調(diào)用AUX12模塊，建立輻射矩陣的方法解決熱輻射的原理問(wèn)題，從而完成對(duì)熱輻射工況下的溫度應(yīng)力的計(jì)算［1］。

1 熱輻射及輻射矩陣

熱輻射是一種常見(jiàn)的熱量傳遞方式。電磁波以光的速度進(jìn)行傳遞，而能量傳遞與輻射物體之間的介質(zhì)無(wú)關(guān)。輻射傳熱是一種高度非線性的傳熱形式。物體表面的輻射遵循Stefan-Boltzmann定律［2-3］：

式中：

T——物體表面的絕對(duì)溫度；

σ——Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.67×10-8。

Ansys中應(yīng)用較廣且實(shí)用性較強(qiáng)的熱輻射求解方法有兩種：

1）通過(guò)調(diào)用AUX12，生成輻射矩陣的方式來(lái)求解熱輻射；

2）Radiosity求解器方法，求解二維、三維面與面之間的熱輻射，該方法對(duì)所有含溫度自由度的二維和三維單元都適用。

利用AUX12產(chǎn)生輻射矩陣的方法相對(duì)簡(jiǎn)便易行，具有更好的工程應(yīng)用效果，通過(guò)AUX12，建立輻射矩陣，生成超單元，以此進(jìn)行熱輻射分析。利用輻射矩陣的可以在建模時(shí)隱藏或省略某些面。AUX12計(jì)算面與面之間的輻射可分為以下三個(gè)步驟：

（1）定義輻射面；

（2）建立輻射矩陣；

（3）加載輻射矩陣，進(jìn)行熱分析。

本文將以這種方法計(jì)算存在熱輻射影響的工程實(shí)例。

2 實(shí)例分析

圖1為某熱進(jìn)料換熱器的裙座示意圖，其底板被水泥包裹，底板以上部分露出，裙座材料為S304不銹鋼，裙座外側(cè)覆蓋保溫層，作用為隔絕與外界溫度交換，因此，在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)保溫層應(yīng)考慮在內(nèi)，但是在計(jì)算最后結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，保溫層可以忽略。水泥有極高的隔熱能力，因此，底板的溫度可以認(rèn)為不受換熱器影響，即不存在溫度應(yīng)力，建模型時(shí)可以省略，底板與其他部位連接處施加全約束。裙座材料屬性見(jiàn)表1。

圖1　裙座示意圖

表1　裙座材料屬性

模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示：

圖2　模型及網(wǎng)格圖

2.1 溫度場(chǎng)求解

由模型可以看出，模型內(nèi)有3種傳熱形式?？諝馀c筒體形成對(duì)流傳熱。保溫層與筒體，保溫層與裙座之間為材料熱傳導(dǎo)。同時(shí)由于筒體外側(cè)與裙座內(nèi)側(cè)構(gòu)成了典型的熱箱結(jié)構(gòu)，而且之間空氣無(wú)流動(dòng)，因此熱箱內(nèi)的以輻射傳熱主。裙座處筒內(nèi)空氣溫度為527℃，外界空氣為22℃。

定義輻射矩陣的步奏如下：

1） 進(jìn)AUX12，命令/AUX12，選擇單元shell57；

2）擇構(gòu)成輻射面的節(jié)點(diǎn)和單元，命令：ESEL，S，TYPE；

3）確定輻射率（缺省為1.0），命令：EMIS；

4）定義Stefan-Baltzmann常數(shù)（缺省情況下，為5.67×10-8W/m2K4），命令：STEF；

5）確定計(jì)算形狀系數(shù)的方法，命令：VTYPE；

6） 矩 陣 寫(xiě) 到 文 件jobname.sub中， 命 令：WRITE；

7）選擇所有節(jié)點(diǎn)及單元，作為一個(gè)超單元，以便之后熱分析時(shí)調(diào)用；

在建立輻射矩陣后，進(jìn)入ANSYS前處理器，選擇單元MATRIX50，將熱輻射節(jié)點(diǎn)設(shè)置為輻射分析，讀入輻射矩陣。進(jìn)入求解器，定義邊界條件，計(jì)算溫度場(chǎng)。本次分析的換熱器裙座的邊界條件及溫度場(chǎng)云圖如圖3所示。

圖3　邊界條件和溫度云圖

2.2 裙座應(yīng)力求解

表2　設(shè)計(jì)工況表

在結(jié)構(gòu)模型中導(dǎo)入計(jì)算完的溫度場(chǎng)。

經(jīng)人工計(jì)算將風(fēng)載、地震載荷、重力轉(zhuǎn)化之后，裙座及其裙座處的筒體上施加如下載荷：筒體內(nèi)表面0.65MPa內(nèi)壓。由，筒體上端面施加 ?20MPa 的拉應(yīng)力。裙座底端施加全約束。筒體及裙座1/2模型的切面上施加對(duì)稱約束。換熱器的重量及裙座上端彎矩由廠方提供，裙座上端處的筒體端面施加972780N豎直方向的力，3.94× 108 N? mm彎矩。進(jìn)入后處理求解，得到應(yīng)力云分布圖。圖4為結(jié)構(gòu)加載圖和應(yīng)力云分布圖。

圖4　結(jié)構(gòu)加載及應(yīng)力云分布圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)使用有限元軟件Ansys的AUX12模塊，建立了輻射矩陣，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫下的熱輻射有限元模擬，計(jì)算了熱輻射存在的工況條件下，壓力容器或部件的應(yīng)力分析，為以后的熱輻射的有限元模擬提供了工程實(shí)例。

參考文獻(xiàn)

［1］ 劉承.Ansys熱分析技術(shù)在復(fù)合保溫砌塊孔型布置中的應(yīng)用［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2012，（5）：69-72.

［2］ 齊洪洋，高磊，張瑩瑩，等.管殼式換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述［J］.壓力容器，2012，29（7）：91-95.

［3］ 張建峰，王翠玲， 吳玉萍， 等.ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應(yīng)用［J］.冶金能源，2005，23（5）：11-16.

Stress Analysis of Thermal Radiation by Ansys

Wu Hang
（Special equipment safety supervision inspection institute of Nantong in Jiangsu province Nantong 226000）

AbstractAnsys is a kind of finite element analysis software used for press vessel in complex operating mode to calculate structure stress and temperature stress of equipment or parts. The heat transfer mode should be confirmed before stress calculating. Different from heat conduction and heat convection which could be calculated directly calling analysis module of Ansys， there’s no method to calculate thermal radiation directly. In this paper， by using the AUX12 solver module and define radiation matrix about two surface there thermal radiation occuring， we can solve equipment’s heat stress calculation that thermal radiation exist on it.

KeywordsAnsys Thermal radiation Radiation matrix

中圖分類號(hào)：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）05-0027-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.005

作者簡(jiǎn)介：吳航（1990～），男，碩士，助理工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)研究工作。

收稿日期：（2015-10-26）