噴管處于幾千K的高溫工作環(huán)境中，其熱分析工作是不可忽略的，國(guó)外投入大量的人力物力進(jìn)行研究，Melia P.F等對(duì)噴管熱分析進(jìn)行深入細(xì)致的工作。但值得指出的是，有關(guān)噴管熱分析的文獻(xiàn)大都是綜述性的報(bào)導(dǎo)，結(jié)合具體的工作結(jié)構(gòu)及分析所用的具體材料性能等詳實(shí)內(nèi)容大都未提及。六十年代以來(lái)，我國(guó)開(kāi)始發(fā)展噴管的熱結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的分析工作也得到充分重視。涉及噴管熱分析方面的工作的綜述也有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。何洪慶等對(duì)噴管的熱傳導(dǎo)、噴管喉襯部件以及噴管熱分析試驗(yàn)做了相關(guān)分析研究工作。以上提及的研究工作對(duì)于噴管零部件熱分析在理論方面比較深入，并有充分的試驗(yàn)配合，而對(duì)于整個(gè)噴管的熱應(yīng)力分析結(jié)合工程實(shí)際十分緊密的研究卻相對(duì)較少。

本文為實(shí)現(xiàn)熱流固耦合，將運(yùn)用Fluent、Steady-State和Static Structure這三個(gè)模塊進(jìn)行分析。首先進(jìn)行Fluent和Steady-State的熱流雙向耦合，利用System Coupling模塊設(shè)置雙向耦合，在Fluent里，設(shè)置能量方程打開(kāi)，由于氣流是一種高溫高壓高雷諾數(shù)的流體，所以選擇k-epsilon粘性模式，并且在Fluent里設(shè)置流體與結(jié)構(gòu)之間的流固耦合面，Steady-State里也要設(shè)置好結(jié)構(gòu)與流體之間的流固耦合面。進(jìn)行熱流雙向耦合之后，將Steady-State得到結(jié)構(gòu)上的溫度場(chǎng)分布，再將熱場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到Static Structural模塊，進(jìn)行熱應(yīng)力分析。

對(duì)于熱流耦合分析及后面的溫度載荷作用下的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析，對(duì)噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些必要的簡(jiǎn)化，刪除螺栓連接孔等。由于模型的對(duì)稱(chēng)特性，只分析一半模型，對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)邊界條件。由于噴管在工作時(shí)結(jié)構(gòu)中存在著高溫情況，故采用M247彈塑性材料本構(gòu)進(jìn)行彈塑性非線(xiàn)性問(wèn)題計(jì)算。

通過(guò)對(duì)噴管熱應(yīng)力的分析，首先進(jìn)行流固耦合分析，得到噴管整體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，看到噴管的溫度場(chǎng)在轉(zhuǎn)動(dòng)板稍微向上的外殼附近存在著明顯的溫度梯度，熱應(yīng)力的產(chǎn)生來(lái)源一種是結(jié)構(gòu)中存在著明顯的溫度梯度，另外就是在結(jié)構(gòu)約束的地方存在熱應(yīng)力。一般而言，溫度梯度越大，約束越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力值則越大，按照線(xiàn)彈性理論分析，則會(huì)出現(xiàn)有些結(jié)構(gòu)部件會(huì)失效的情況，然而這與實(shí)際情況不符合，因此需要對(duì)噴管結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析進(jìn)行彈塑性本構(gòu)材料的熱應(yīng)力分析，彈塑性材料的熱應(yīng)力分析結(jié)果表明，噴管在溫度梯度大的地方，以及在溫度梯度較大并存在約束的地方的等效熱應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服極限，但是小于材料的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明噴管結(jié)構(gòu)局部進(jìn)入塑性變形區(qū)，結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生破壞。并且分三種模型分別考慮溫度場(chǎng)和考慮溫度場(chǎng)及氣動(dòng)載荷共同作用下的仿真，仿真結(jié)果表明，導(dǎo)流板的下移之后，噴管結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)有一定的下降，并且考慮彈塑性熱應(yīng)力仿真分析表明，隨著溫度場(chǎng)的下降，結(jié)構(gòu)的彈性等效應(yīng)力下降。在原始模型和下降2mm的模型仿真后噴管在氣動(dòng)載荷和溫度載荷作用下結(jié)構(gòu)的最大位移出現(xiàn)在導(dǎo)流板上，而導(dǎo)流板下降4mm后的仿真表明，結(jié)構(gòu)的最大位移還是受溫度場(chǎng)的影響明顯，出現(xiàn)在噴管外側(cè)板的頂端，導(dǎo)流板處的位移變形也較明顯，最大為8.5mm。由于噴管局部進(jìn)行塑性區(qū)域，就需要考慮多次工作情況下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析。或者對(duì)噴管承受熱應(yīng)力較大的區(qū)域，設(shè)置熱防護(hù)層或者其他措施，以降低該區(qū)域的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)提高噴管運(yùn)行時(shí)可靠性設(shè)計(jì)的要求。