熱力耦合分析—記住這些要點(diǎn)，可少走一些彎路！

熱力耦合—顧名思義，就是熱溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)靜力的耦合分析。除靜力分析和疲勞分析以外，熱力耦合分析也是壓力容器分析設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到的一種分析形式，比如固定管板換熱器管板的計(jì)算，如果管殼程溫差相差較大的時(shí)候，就不能忽視溫差作用導(dǎo)致管殼程熱膨脹量不同造成的溫差應(yīng)力對(duì)管板、換熱管、管板與管箱或殼程筒體處變形協(xié)調(diào)的影響，且往往需要考慮6種計(jì)算工況：殼程壓力單獨(dú)作用；管程壓力單獨(dú)作用；管殼程壓力同時(shí)作用；殼程壓力單獨(dú)作用及熱膨脹差的影響；管程壓力單獨(dú)作用及熱膨脹差的影響；管殼程壓力同時(shí)作用及熱膨脹差的影響。對(duì)于常規(guī)的換熱器，那么SW6就可完全搞定，但有時(shí)候不免遇到超出151標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的非常規(guī)換熱器，這時(shí)候就只能通過ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算了。故以一臺(tái)非常規(guī)換熱器的分析設(shè)計(jì)為案例，簡(jiǎn)介一下熱力耦合分析在Ansys workbench中求解注意要點(diǎn)。

【要點(diǎn)1】：既然是做熱力耦合分析，那么首先要對(duì)熱力學(xué)的三大傳熱方式（熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射）進(jìn)行一定的了解，其實(shí)也不需要對(duì)傳熱學(xué)有多深的了解，但是對(duì)這三大傳熱方式的基本定義和傳熱方程的了解則是必要的：一是起碼做分析的人得知道導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)是如何得來的；二是有助于對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性判定，只有保證溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，才能進(jìn)一步進(jìn)行熱力耦合分析和保證后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。這個(gè)就需要靜下心來好好看看書本了。

【要點(diǎn)2】：材料屬性設(shè)置的正確性，如換熱器分析計(jì)算時(shí)，需要考慮盛裝介質(zhì)之間的熱對(duì)流及殼體間的熱傳導(dǎo)作用，那么有四個(gè)重要的參數(shù)需要設(shè)置：對(duì)流傳熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、線膨脹系數(shù)，其中導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量和線膨脹系數(shù)必須給定一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的值（考慮的最大和最小溫度需包含在此區(qū)間內(nèi)）且需確保準(zhǔn)確性，AWB在不同溫度下進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候會(huì)通過內(nèi)部自動(dòng)插值算法進(jìn)行溫度場(chǎng)的求解，對(duì)流傳熱系數(shù)則在Mechanical中根據(jù)設(shè)置的溫度定義。

【要點(diǎn)3】：分析幾何、材料、溫度載荷、機(jī)械載荷等是否具有對(duì)稱性，對(duì)于具備對(duì)稱性的模型采用對(duì)稱模型建模，可減少很大的工作量，既不影響計(jì)算結(jié)果又可提升計(jì)算效率（特別對(duì)于很大的模型，在建模之初就需評(píng)價(jià)和判定是否需要建立對(duì)稱模型），比如本例根據(jù)對(duì)稱性采用1/4模型建模，如下圖所示。

【要點(diǎn)4】：建模型的時(shí)候，我們壓力容器行業(yè)只要求六面體網(wǎng)格，因而往往需要對(duì)一個(gè)模型進(jìn)行很多次切分操作，以盡量將每個(gè)體均切分成可掃略的體，進(jìn)而可通過Sweep方法對(duì)每個(gè)體進(jìn)行控制保證全六面體網(wǎng)格，同時(shí)可在需重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，而在非重點(diǎn)關(guān)心區(qū)域可粗分網(wǎng)格，提升計(jì)算效率。

【要點(diǎn)5】：正因?yàn)樯鲜龅母鞣N切分操作，一個(gè)完整的體會(huì)被切成若干個(gè)體，特別對(duì)于大模型和稍微復(fù)雜一點(diǎn)的模型，甚至?xí)蟹殖錾习賯€(gè)體，那么筆者建議從一開始學(xué)AWB的時(shí)候就要養(yǎng)成一個(gè)良好的習(xí)慣，將切分后的每個(gè)體均重新命名以及對(duì)同類型的體進(jìn)行named selection操作命名集合進(jìn)行標(biāo)識(shí)，可方便后續(xù)的操作，特別后續(xù)需要對(duì)模型進(jìn)行修改的時(shí)候，通過重命名和集合操作大大減少模型修改可能會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤率。

【要點(diǎn)6】：還有一個(gè)習(xí)慣也是至關(guān)重要的，就是在將模型導(dǎo)入到Mechanical中后一定要對(duì)模型進(jìn)行仔細(xì)檢查，雖然ANSYS公司已經(jīng)將DM和Mechanical融合的很好，但還會(huì)因特殊容差的存在導(dǎo)致從DM中導(dǎo)入到Mechanical中的模型出現(xiàn)錯(cuò)誤，而往往在DM中是很難查出模型錯(cuò)誤的，在DM中建的很完美的模型在導(dǎo)入到Mechanical中后可能會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，特別是會(huì)出現(xiàn)小面或邊斷裂的情況，會(huì)嚴(yán)重影響到網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，另外甚至?xí)霈F(xiàn)體的重合甚至少體的情況出現(xiàn)（筆者就曾遇到過），所以要點(diǎn)5中提到的對(duì)每個(gè)切分的體進(jìn)行重命名，對(duì)導(dǎo)入到Mechanical中模型的檢查也是方便和直觀的。如果明明所有的體都已經(jīng)切分成可掃略的體，但在劃分網(wǎng)格的時(shí)候有的模型就是劃分不出完整的六面體網(wǎng)格，這時(shí)候必定是模型出現(xiàn)問題了，特別是上述提到的可能出現(xiàn)小面或斷邊的情況，這時(shí)候就一定要仔細(xì)檢查模型，如發(fā)現(xiàn)存在上述情況，則可通過拓?fù)浞椒▽⑿∶婧蛿噙叺群喜⑵饋恚员ＷC后續(xù)網(wǎng)格劃分的可行性和質(zhì)量。

【要點(diǎn)7】：檢查載荷和邊界條件施加的準(zhǔn)確性，是否存在數(shù)值施加錯(cuò)誤的情況？是否存在過約束或欠約束的情況？是否存在約束施加錯(cuò)誤的情況？對(duì)于溫度場(chǎng)的計(jì)算，則還需要檢查線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流傳熱系數(shù)和彈性模量設(shè)置的準(zhǔn)確性，需要特別注意的一點(diǎn)是在軟件中一定要確保數(shù)值和單位的對(duì)應(yīng)性和準(zhǔn)確性。

【要點(diǎn)8】：對(duì)于熱力耦合分析，需要檢查溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，這是確保應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確的前提，所以要求分析設(shè)計(jì)人需具備一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以能通過判斷溫度場(chǎng)分布的趨勢(shì)，來進(jìn)一步確保溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，這也是之前提到的為什么要對(duì)熱力學(xué)的三大傳熱形式進(jìn)行必要了解的原因。

【要點(diǎn)9】：溫度場(chǎng)分析完成之后就是將求解結(jié)果導(dǎo)入到靜力分析模塊進(jìn)行應(yīng)力的求解了，到這一步就是普通的靜力分析了，這一步的關(guān)鍵就是要保證機(jī)械載荷和位移邊界條件施加的準(zhǔn)確性，此處就不再贅述了。

【要點(diǎn)10】：就是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相應(yīng)的線性化和應(yīng)力評(píng)定，需要評(píng)定的位置有所有結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，所有需重點(diǎn)關(guān)心和考察的應(yīng)力區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)要求需要評(píng)定的位置，關(guān)于評(píng)定則需要建立在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的熟知和一定的力學(xué)理論基礎(chǔ)上。

上述要點(diǎn)其實(shí)都是通用要點(diǎn)，對(duì)任何一種分析都是適用的，養(yǎng)成上述的好習(xí)慣至關(guān)重要，甚至?xí)苯記Q定所建立的模型是否能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能否進(jìn)行求解，求解效率如何？求解結(jié)果是否準(zhǔn)確等等？上述每一步都是相輔相成的，前面步驟的準(zhǔn)確性直接決定后續(xù)求解的正確性，同時(shí)可通過判斷后續(xù)計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確，反過來對(duì)前面步驟進(jìn)行檢查，一步步排除錯(cuò)誤。

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