罐与接管的热有限元仿真分析

问题描述

如下图所示，圆形管的罐有一个接管，罐的外径为 3m，壁厚为 0.2，接管外径为 0.5m，壁厚 0.1m，罐与接管的轴线垂直且接管远离管的端部。

图 罐的结构图

罐内流体温度为450℃，与罐壁的对流换热系数为250BUT/hr-ft2-oF,接管内流体的温度为100℃，与管壁的对流换热系数随管壁的温度而变。接管与罐为同一种材料，它的热物理性能如下表，求罐与接管的温度分布。（为接管内壁对流系数）

建模要点

考虑到热在罐和接管的传导问题，并且分析考虑界面处与罐内流体的相互作 

用，需要定义一个热稳态传导的分析步。

建模步骤

1. 创建部件

1）创建罐

图1 创建部件

图2 绘制两个圆

图3 设置深度为2

图4 完成部件Part-1绘制，得到罐模块

2）创建接管

图5 绘制Part-2的部件草图

图6 指定部件Part-2的深度为2

图7 完成部件Part-2绘制，得到接管

3）创建Part-2-Copy

图8 复 制部件Part-2

图9 完成的Part-2-Copy

4）切割部件

图10 创建实例

图11 创建实例后部件图

图12 旋转操作后的实例位置

图13 完成平移操作后的实例

图14 选择切割几何

图15 切割后形成的Part-3部件

5）合并部件

图16 创建新的部件实例

图17 创建的新的实例

图18 旋转后的部件实例

图19 完成平移后的部件实例

图20 合并部件实体

图21 模型树中装配-实例删除前后展示

2. 创建材料和截面属性

1）创建材料

图22 编辑材料属性-传导率

图23 编辑材料属性-比热

2）创建截面属性

图24 创建截面属性

3）赋予截面属性

图25 为部件Part-5指派截面

图26 赋予截面属性结果

3. 定义装配件

图27 装配模块

图28 将实例Part5-1设为独立

4. 设置分析步

1）设置分析步

图29 创建分析步 通用-热传递

图30 编辑分析步

设置为增量，增量步大小初始为0.01每载荷步允许的最大温度改变值为 1000。

2）设置场输出变量

图31 编辑场输出请求，“输出变量”选择“热学”

3）设置历史输出变量

图32 创建编辑历程输出请求

5. 定义相互作用

1）定义相互作用属性

图33 创建相互作用属性和编辑相互作用属性

2）创建相互作用

图34 创建相互作用-表面热交换条件

图35 选择面

图37 编辑相互作用

图38 选择面

图39 编辑相互作用 Int-2

图40 已创建好两个相互作用

6. 定义载荷和边界条件

图41 创建边界条件

图42 选择部件的外表面

图43 编辑边界条件

图44 编辑好边界条件后

7. 划分网格

1）控制网格划分

图45 网格控制属性

图46 设置为“四面体” 采用“自由”网格技术后

2）选择单元类型

图47 设置单元类型 DC3D10；十节点二次传热四面体单元

3）设置网格密度

图48 执行“布种”-“边”，选择罐外缘边

图49 种子分布情况

4）划分网格

图50 网格模型

5）检查网格

图51 检查网格 无误

结果分析

1. 结果分析

图52 创建作业

图53 编辑作业 默认设置

图54 作业运行监视

2. 后处理 

图55 作业运行结果

罐体 X 方向的热流量向量的分布基本均衡，竖直大小基本相等，为-3.379e+2左右，变化处位于接管凸出部分和罐表面，热量由罐中液体向接管出口传递。罐体 Y 方向的热流量向量的分布基本沿 Y 方向对称分布，即数值大小基本相等，只有两部件交接处有变化。Z 方向热流量向量接近于 0 是由于 Z 方向几乎不发生热量传递。

图56 罐与接管热流量向量 X 方向分布

图57 HFL2 罐与接管热流量向量 Y 方向分布

图58 HLF3 罐与接管热流量向量 Z 方向分布

图59 NT11 罐与接管温度分布

上图为罐与接管温度分布云图，由于罐内液体温度远高于接管内液体温度，故罐内部温度最高且位于罐内部的接管部分也由于热量的传递，温度达到了 450.5℃。

图60 RFL11

生成结果报告文件guandao.rpt，部分内容如下：

********************************************************************************

Field Output Report, written Mon Dec 30 22:10:38 2024

Source 1

---------

   ODB: F:/Abaqus2024/temp/Reguan.odb

   Step: Step-1

   Frame: Increment      8: Step Time =   0.2531

Loc 1 : Nodal values from source 1

Output sorted by column "Node Label".

Field Output reported at nodes for part: PART-5-1

      Node Label            NT11

                          @Loc 1

---------------------------------

               1         449.997

               2         449.992

               3         405.585

               4         83.2231

               5         449.950

            1495         434.907

            1496         449.998

            1497         449.997

            1498         449.998

            1499         90.6002

            1500         94.3333

  Minimum                41.4885

         At Node             197

  Maximum                450.510

         At Node             952

           Total     529.988E+03