這是模擬火箭噴管的兩個(gè)示例問(wèn)題中的第二個(gè)：

• 第一個(gè)例子，火箭噴嘴延伸模擬：制造，演示了如何模擬噴嘴制造階段的熱應(yīng)力。

• 下面的第二個(gè)示例問(wèn)題演示了如何模擬火箭噴嘴運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

雖然兩個(gè)示例都基于相同的幾何圖形，但使用的假設(shè)不同，因此導(dǎo)致不同的網(wǎng)格和不同的單元類型。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，假設(shè)火箭已經(jīng)發(fā)射，熱氣體正在流經(jīng)噴嘴，使噴嘴體內(nèi)外受到對(duì)流熱負(fù)荷。熱載荷導(dǎo)致體沿厚度方向出現(xiàn)明顯的熱梯度，表現(xiàn)為高熱應(yīng)力。

固體熱和結(jié)構(gòu)單元準(zhǔn)確地模擬了問(wèn)題的多物理特性。雖然完全耦合的單元可以解決該問(wèn)題，但使用松耦合方法代替。由于主體材料可以是均質(zhì)或分層復(fù)合材料，因此模擬需要具有均質(zhì)和分層材料能力的實(shí)體單元類型。

介紹

殼單元模型在大多數(shù)區(qū)域給出了精確的應(yīng)力；然而，貫穿厚度的應(yīng)力并不精確，尤其是在加強(qiáng)件與噴嘴體連接的情況下。固體單元用于此分析，以提高貫穿厚度應(yīng)力的精度。因此，這個(gè)問(wèn)題證明了固體層狀熱單元（SOLID279）的一些特征。這個(gè)示例問(wèn)題的幾何圖形已經(jīng)被劃分網(wǎng)格并存儲(chǔ)在cdb文件中。

對(duì)于本例，假設(shè)材料行為為正交各向異性（結(jié)構(gòu)和熱均是）。因此，重要的是沿單元內(nèi)的某些正交方向定義材料特性。這強(qiáng)調(diào)了在每個(gè)單元中定義單元坐標(biāo)系的必要性。

盡管有一個(gè)很好的理由來(lái)定義獨(dú)立于底層單元的材料方向，但這目前受到現(xiàn)有技術(shù)的限制。

所有單元都有默認(rèn)的單元坐標(biāo)系，但這些默認(rèn)坐標(biāo)系并不總是方便的。材質(zhì)方向可能與單元坐標(biāo)系（ESYS）不對(duì)齊，因此可能需要修改它們。通常可以通過(guò)以下步驟完成此操作：

1. 定義單元坐標(biāo)系-由于曲率快速變化，此模型中的每個(gè)單元都必須定義自己的單元坐標(biāo)系。（考慮對(duì)給定的磚網(wǎng)格使用LOCAL和EMODIF命令。）因此，單元z軸與厚度方向?qū)R，并且單元x軸與曲率對(duì)齊。這使得沿首選方向定義材料特性非常方便。

2. 調(diào)整單元連接性-由于正在使用實(shí)體單元，因此必須調(diào)整單元連接性，以便IJKL面與圖元坐標(biāo)z軸對(duì)齊。這樣可以確保層定義與單元的面1（IJKL面法線n）平行，并與ESYS的z軸垂直（請(qǐng)考慮使用EORIENT為具有定義的單元坐標(biāo)系的任意網(wǎng)格完成此操作。）

對(duì)于本示例中提供的模型，這兩個(gè)步驟都已完成。

熱應(yīng)力可以使用具有完全耦合（強(qiáng)耦合）的TEMP和DISP自由度（DOF）的單元獲得。或者，可以先運(yùn)行熱分析，然后運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析（松耦合）來(lái)獲得應(yīng)力。這些方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)在這里沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。相反，本例使用松耦合方法來(lái)演示它所提供的靈活性。

在本例中，使用元素SOLID279進(jìn)行靜態(tài)熱分析，然后使用LDREAD命令轉(zhuǎn)移溫度到靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，SOLID279轉(zhuǎn)化為SOLID186。對(duì)于熱分析，假設(shè)材料可以是均質(zhì)的或分層的。對(duì)于結(jié)構(gòu)分析也做了類似的假設(shè)，因此可以在結(jié)構(gòu)分析中使用均質(zhì)或分層分析中的溫度，如下圖所示：

對(duì)于熱分析，材料可以被視為“均質(zhì)”，而對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，材料則可以被視“分層”。可以根據(jù)自己的意愿靈活地混合和搭配運(yùn)行。強(qiáng)耦合的解決方案不會(huì)提供這種程度的靈活性和自由度。

問(wèn)題描述

對(duì)完整幾何圖形的1°扇區(qū)進(jìn)行建模。假設(shè)熱解和結(jié)構(gòu)解是軸對(duì)稱的。該示例使用了第一個(gè)火箭噴嘴示例問(wèn)題中使用的相同幾何形狀；然而，使用具有建模層能力的三維實(shí)體單元代替具有軸對(duì)稱選項(xiàng)的二維殼單元。

使用均質(zhì)材料選項(xiàng)進(jìn)行熱分析，然后使用4層材料選項(xiàng)進(jìn)行分析。這些分析的解用作結(jié)構(gòu)分析的載荷（均質(zhì)和4層材料選項(xiàng)）。將獲得總共四種結(jié)構(gòu)解。

為了確保熱分析的軸對(duì)稱解，TEMP沿θ方向（CE命令）被約束為相同。指定軸對(duì)稱自由度約束以確保軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)分析的解（DSYM）。雖然有許多不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)扇形模型的軸對(duì)稱，但選擇這種方法是因?yàn)樗子趯?shí)現(xiàn)。

建模

噴嘴延伸部分由一個(gè)主彎曲壁和一個(gè)靠近射流排氣口的加強(qiáng)環(huán)組成，如圖29.4所示：

壁和加強(qiáng)環(huán)均由分層復(fù)合材料制成。該模型對(duì)所有層使用單一正交異性材料；然而，材料的取向因?qū)佣?/span>異。對(duì)于熱分析和力學(xué)分析，假設(shè)材料是均勻的。這種簡(jiǎn)化可以加快計(jì)算速度并提供合理的解決方案。

由于模型呈現(xiàn)對(duì)稱性，因此通過(guò)僅對(duì)整個(gè)噴嘴延伸的單個(gè)1°扇區(qū)（基礎(chǔ)扇區(qū)）進(jìn)行建模，可以實(shí)現(xiàn)最佳計(jì)算效率。1°扇區(qū)的幾何模型如圖29.5所示：其中（a）是整體幾何結(jié)構(gòu)，（b）是加強(qiáng)環(huán)的詳圖。

由于熱解表現(xiàn)出溫度的循環(huán)對(duì)稱性，因此可以使用CE來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。CE命令可用于結(jié)構(gòu)循環(huán)對(duì)稱，但在本例中，DSYM命令用于演示在ANSYS中完成任務(wù)的不同方法。

簡(jiǎn)化的1°幾何模型采用SOLID279單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖29.6：環(huán)形單元圖和圖29.7：實(shí)心網(wǎng)格的擴(kuò)展層表示分別顯示了網(wǎng)格以及實(shí)體網(wǎng)格的層實(shí)體表示（/ESHAPE）

使用SOLID279單元，可以使單元表現(xiàn)為均勻材料或?qū)訝畈牧希?/span>KEYOPT（3）＝0或1）。殼截面定義復(fù)合材料的層。（SECTYPE命令指定截面類型，SECDATA命令指定每層的材料、厚度、材料方向和積分點(diǎn)數(shù)。）將創(chuàng)建兩個(gè)截面：一個(gè)用于主璧，另一個(gè)用于加強(qiáng)圈。下表總結(jié)了外殼部分屬性：

假設(shè)加強(qiáng)環(huán)牢固地連接到主延伸壁的外表面。

安全綁定很容易模擬（CE/CP命令）。

材料屬性

火箭噴管延伸模型中使用的單一正交異性材料的特性如下：

假定材料具有線性彈性且與溫度無(wú)關(guān)。該材料在平面內(nèi)（X和Y）和厚度（Z）方向上具有不同的熱膨脹系數(shù)。

邊界條件和加載

對(duì)于熱模型，使用了四種邊界條件（見(jiàn)圖29.8）：

• 夾緊端規(guī)定的溫度

• 模型不同區(qū)域的三種不同膜對(duì)流邊界條件

• 將加強(qiáng)筋粘結(jié)到噴嘴體的約束方程

• 強(qiáng)制循環(huán)對(duì)稱的約束方程

真實(shí)的熱模型可能具有從經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性導(dǎo)出的膜系數(shù)。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處使用常量值。可以指定熱通量邊界條件而不是對(duì)流邊界條件。

除了上述邊界條件外，熱載荷還應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模型（LDREAD）。這實(shí)現(xiàn)了松耦合，如介紹中所述。

對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，其他被忽略的機(jī)械載荷可能是主動(dòng)的（如氣體流動(dòng)引起的壓力和剪切應(yīng)力）。真實(shí)的模擬將考慮所有可能導(dǎo)致壓力的負(fù)荷。

分析和求解控制

使用均勻和分層選項(xiàng)（2種不同的模型選項(xiàng)）對(duì)熱模型進(jìn)行線性靜態(tài)分析。

隨后，使用均勻和分層選項(xiàng)（4種不同的分析）對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行線性靜態(tài)分析。如引言所述，當(dāng)使用松耦合方法時(shí)，溫度必須從前兩次分析轉(zhuǎn)移到后四次分析（LDREAD）。

結(jié)果和討論

對(duì)于使用分層選項(xiàng)的熱分析，加強(qiáng)環(huán)的結(jié)果如以下三張圖所示。重要的是要注意每個(gè)層中的分層分析解。例如，峰值TEMP梯度可能出現(xiàn)在層2中，而峰值Von Mises應(yīng)力可能出現(xiàn)在第3層中。

對(duì)具有層的單元進(jìn)行后處理時(shí)需要考慮的另一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題是，雖然可以使用常規(guī)的后處理命令，但結(jié)果將基于角節(jié)點(diǎn)值，并且每個(gè)層中的值將被忽略。例如，PLNSOL，TEMP命令將基于單元的8個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建等高線圖，但它不會(huì)顯示4個(gè)層內(nèi)的溫度如何變化。要逐層后處理，請(qǐng)激活每個(gè)單獨(dú)的層，然后發(fā)出相關(guān)的后處理命令。

加強(qiáng)環(huán)第3層的TEMP如圖29.13所示。可以通過(guò)在/POST1中發(fā)出以下命令來(lái)生成：

也可以將層TEMP強(qiáng)制加到單元的8個(gè)角節(jié)點(diǎn)上，然后繪制單元解的輪廓（layer）。這樣可以確保繪制的單元解是圖中的實(shí)際層解。

要查看層熱通量和溫度梯度，請(qǐng)?jiān)?/span>layer命令之后發(fā)出PLESOL命令。

默認(rèn)情況下，層值為0。這意味著后處理的數(shù)量是頂層的頂部和底層的底部。

下圖顯示了加強(qiáng)環(huán)四種分析的位移解。這些都是基于節(jié)點(diǎn)的繪圖。在所有情況下，最大位移發(fā)生在加強(qiáng)環(huán)與噴嘴體結(jié)合的位置。

分層情況下的位移解變化不大。因此，對(duì)分層力學(xué)問(wèn)題使用均勻或分層熱載荷似乎沒(méi)有顯著影響。對(duì)于均質(zhì)情況的位移解也可以得出類似的結(jié)論；然而，同樣的結(jié)論可能對(duì)應(yīng)力無(wú)效。不要根據(jù)這個(gè)模型得出一般結(jié)論；相反，根據(jù)每個(gè)模型的載荷條件和假設(shè)來(lái)分析。

圖29.18顯示了第1層的等效應(yīng)力。該圖顯示，應(yīng)力不會(huì)如預(yù)期的那樣在第1層粘結(jié)區(qū)域附近達(dá)到峰值。這降低了逐層而不是逐單元分析解的需要。考慮改變環(huán)的形狀、材料、層數(shù)或?qū)臃较颍詫⒎逯?/span>應(yīng)力轉(zhuǎn)移到可接受的水平。

當(dāng)繪制層2、3和4中的等效應(yīng)力時(shí)，峰值應(yīng)力的位置明顯偏移。這強(qiáng)調(diào)了需要仔細(xì)研究每一層，避免對(duì)其他層立即得出結(jié)論。例如，層4中的峰值應(yīng)力轉(zhuǎn)移到粘結(jié)區(qū)域，而這不能僅從第1層解預(yù)測(cè)。

建議

要執(zhí)行類似類型的分析，請(qǐng)考慮以下提示和建議：

• 考慮在網(wǎng)格的粘合區(qū)域附近以及高曲率區(qū)域附近細(xì)化網(wǎng)格。該建議基于所有層的觀察峰值應(yīng)力區(qū)域。

• 默認(rèn)情況下，所有圖層信息都寫(xiě)入結(jié)果文件。對(duì)于大型網(wǎng)格，明智的做法是選擇適當(dāng)?shù)?/span>KEYOPT（8）設(shè)置，以使SOLID279或SOLID186單元的分層選項(xiàng)的存儲(chǔ)需求最小化。減小文件大小的缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)各個(gè)層進(jìn)行后處理。你需要決定什么適合你的分析。

• 對(duì)于尚未掃掠的網(wǎng)格，很難看到單元坐標(biāo)系z軸是否垂直于分層實(shí)體SOLID278/SOLID279或SOLID185/SOLID186單元的IJKL面。考慮使用EORIENT命令來(lái)完成此操作。介紹中強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。在執(zhí)行分層分析時(shí)，還要記住以下幾點(diǎn)：

–各層必須平行于IJKL面。

–單元坐標(biāo)系z軸也必須垂直于IJKL面（面1）。

• 對(duì)于復(fù)雜材料纖維，可以方便地將單元坐標(biāo)系軸與纖維方向?qū)R。在這種情況下，請(qǐng)考慮使用LOCAL和EMODIF、ALL、ESYS命令的組合為每個(gè)單元定義一個(gè)唯一的單元坐標(biāo)系，如介紹中所述。在下面的圖29.19中，只需要一個(gè)LOCAL命令。在下面的圖29.20中，每個(gè)單元必須具有不同的單元坐標(biāo)系，這意味著多個(gè)LOCAL命令。