ANSYS的低溫蝶閥模擬試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

1、ANSYS的低溫蝶閥模擬試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析 (3)求解：確定Time/Frequence選項(xiàng)。設(shè)置載荷步的載荷子步或時(shí)間增量，根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按ITS=2/4估計(jì)初始時(shí)間步長，其中為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧L度，為導(dǎo)溫系數(shù)，=K/(C)。 Time/Frequence選項(xiàng)的子選項(xiàng)Time-timestep中設(shè)置總時(shí)間為10800s(3h)，時(shí)間步為10s，最小時(shí)間步1s，最大時(shí)間步為250s，在stepped項(xiàng)中選擇ON。并設(shè)定自動(dòng)時(shí)間選項(xiàng)為ON，以便于在求解過程中自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長。 非線性選項(xiàng)每個(gè)子步默認(rèn)的迭代次數(shù)為25，在OutputCtrls/DB/Resultsfile選項(xiàng)中選

2、擇Allitems，并在filewritefrequency選項(xiàng)中選擇Everysubstep，求解solve/CurrentLS。 (4)后處理：利用POST1對模型開展后處理。 3.2、瞬態(tài)傳熱分析的結(jié)果與分析 利用POST1對圖2模型開展后處理，對流傳熱系數(shù)為120W/(m2K)，冷卻溫度為-105時(shí)的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。 圖3 30s時(shí)溫度分布云圖 圖4 10308s時(shí)溫度分布云圖 從溫度分布云圖可以看出，當(dāng)對流傳熱系數(shù)為120W/(m2K)，冷卻溫度為-105時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418需要10308s。閥板中心點(diǎn)處為低溫閥體的溫度最高點(diǎn)。閥體

3、外表面是其最低溫所在位置。應(yīng)用POST26處理器查看低溫閥門各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化如圖5所示。 從圖5中可以看出隨著時(shí)間的變化，各點(diǎn)的溫度都在降低，在開始的3300s內(nèi)溫度降低幅度比較大，換熱比較快。而在3300s之后各點(diǎn)的溫度降低幅度明顯減小，換熱比較慢。故而可以得出：隨著時(shí)間的推移，低溫蝶閥與試驗(yàn)箱內(nèi)的溫差逐漸減小，且溫差減小幅度從快到慢。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的時(shí)間后閥體的溫度幾乎不在變化，溫度等同于試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度。 圖5 10800s內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化曲線 只改變對流傳熱系數(shù)，其它條件均不變。閥體從環(huán)境溫度降到閥體最高溫度-102.418，所需要的時(shí)間隨對流傳熱系數(shù)的變化如下表1，圖6是其擬合曲線。

4、圖6 所需時(shí)間隨對流傳熱系數(shù)變化的擬合曲線 從而得到在不同的對流傳熱系數(shù)下閥體從環(huán)境溫度降到閥體最低溫度-102.418所需要的時(shí)間3次多項(xiàng)式公式為：T(s)=-0.0026h3+1.1440h2-182.1711h+20250.6162 表1 對流傳熱系數(shù)與降到-102.418所用時(shí)間ANSYS分析表 4、熱-構(gòu)造耦合分析 ANSYS不僅能解決單純的熱分析問題，也能解決與熱相關(guān)的耦合場作用問題，熱-構(gòu)造耦合分析便是其中之一。ANSYS開展耦合分析的方法有兩種：直接耦合法和間接耦合法。直接耦合法在解決耦合場相互作用具有高度非線性時(shí)更具有優(yōu)勢；對于不存在高度非線性相互作用的情況，間接耦合法更為方

5、便有效。本文采用間接耦合的方法對低溫閥的熱-構(gòu)造開展分析。間接熱-構(gòu)造耦合法是通過把第一次熱場分析的結(jié)果作為第二次應(yīng)力場的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種物理場的耦合。 間接耦合法分析的基本過程： (1)熱分析：使用ANSYS熱分析的所有功能，在劃分網(wǎng)格時(shí)要盡可能的劃分的密一些，因?yàn)檫@樣便于后續(xù)的分析。 (2)單元轉(zhuǎn)換：上述熱分析完成后，再次進(jìn)入前處理。在這部分，通過相應(yīng)的命令Switchelementtype/thermaltostructure把原來的熱單元轉(zhuǎn)換為構(gòu)造分析單元structuresolid4node182。 (3)構(gòu)造分析參數(shù)設(shè)置：設(shè)置構(gòu)造的材料參數(shù)，包括材料的熱膨脹系數(shù)、前處理設(shè)置、節(jié)點(diǎn)耦合

6、約束方程等。 (4)構(gòu)造分析邊界條件輸入：選擇熱分析的結(jié)果文件*.rth作為構(gòu)造分析的邊界條件輸入，并設(shè)定參考溫度。 (5)構(gòu)造分析求解和后處理：結(jié)果主要由應(yīng)力、應(yīng)變等組成。結(jié)果文件主要包括基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。X、Y方向和總的熱變形位移圖分別如圖7、圖8、圖9所示。圖中的位移顯示放大了100倍。圖中黑色邊線為常溫下的狀態(tài)，云圖顯示了閥體在試驗(yàn)條件下狀況。X、Y方向和總的熱變形最大位移分別為0.0756、0.0339、0.0863mm。 圖7 X方向的熱變形位移圖 圖8 Y方向的熱變形位移圖 圖9 總熱變形位移圖 總熱應(yīng)力分布如圖10所示，在法蘭處所受到螺栓的約束，最大應(yīng)力集中在法蘭和閥體與閥頸連接處。但最大的熱應(yīng)力為0.171GPa，遠(yuǎn)小于閥體材料的屈服強(qiáng)度1.240GPa，閥體的變形屬于彈性變形，所以閥體材料在低溫條件下運(yùn)行是安全的。 圖10 熱應(yīng)力分布圖 5、結(jié)語 對低溫閥在新的測試環(huán)境下的降溫速度開展模擬試驗(yàn)，確保試驗(yàn)時(shí)低溫閥閥板中心到達(dá)試驗(yàn)所要求的溫度，為低溫閥門的試驗(yàn)提供一個(gè)冷卻時(shí)間參考，當(dāng)對流傳熱系數(shù)為120W/(m2K)，冷卻溫度為-105時(shí)，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中最高溫度為-102.418需要10308s。同時(shí)擬合出同一低溫閥從環(huán)境溫度降到試