基于ANSYS的熱輻射應力分析

吳　航（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226000）

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基于ANSYS的熱輻射應力分析

吳航
（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院 南通 226000）

摘 要：Ansys是常用的壓力容器復雜工況的有限元分析軟件，可以用來計算設備或者部件的結構應力和熱應力。在計算溫度應力時，首先應該確定熱量的傳遞方式。在三種熱傳遞方式：熱傳導，熱對流，熱輻射中，熱傳導和熱對流可以直接調用ansys的分析模塊進行計算，而熱輻射不存在直接的計算方法。本文通過調用AUX12求解器模塊，將存在熱輻射的兩個表面定義為輻射矩陣，通過超單元MATRIX50來實現定義輻射傳熱，從而解決了存在熱輻射工況條件的設備的熱應力計算。

關鍵詞：Ansys 熱輻射 輻射矩陣

壓力容器廣泛應用于石油、化工、冶金、輕工、原子能等各種行業。在實際生產中，壓力容器常常會處于復雜溫度的工況條件下，使得部件承受較大的溫度應力。隨著非標設備的越來越多，傳統的計算方法已經無法滿足某些復雜工況下的計算。

有限元方法是目前應用較為成熟的一種非標設備應力計算方法。Ansys軟件是目前應用最廣的有限元軟件，可以計算熱傳導和熱對流形式下的溫度應力，而熱輻射由于其原理的復雜性，使得其求解的難度較熱傳導和熱對流更高。本文通過調用AUX12模塊，建立輻射矩陣的方法解決熱輻射的原理問題，從而完成對熱輻射工況下的溫度應力的計算［1］。

1 熱輻射及輻射矩陣

熱輻射是一種常見的熱量傳遞方式。電磁波以光的速度進行傳遞，而能量傳遞與輻射物體之間的介質無關。輻射傳熱是一種高度非線性的傳熱形式。物體表面的輻射遵循Stefan-Boltzmann定律［2-3］：

式中：

T——物體表面的絕對溫度；

σ——Stefan-Boltzmann常數，5.67×10-8。

Ansys中應用較廣且實用性較強的熱輻射求解方法有兩種：

1）通過調用AUX12，生成輻射矩陣的方式來求解熱輻射；

2）Radiosity求解器方法，求解二維、三維面與面之間的熱輻射，該方法對所有含溫度自由度的二維和三維單元都適用。

利用AUX12產生輻射矩陣的方法相對簡便易行，具有更好的工程應用效果，通過AUX12，建立輻射矩陣，生成超單元，以此進行熱輻射分析。利用輻射矩陣的可以在建模時隱藏或省略某些面。AUX12計算面與面之間的輻射可分為以下三個步驟：

（1）定義輻射面；

（2）建立輻射矩陣；

（3）加載輻射矩陣，進行熱分析。

本文將以這種方法計算存在熱輻射影響的工程實例。

2 實例分析

圖1為某熱進料換熱器的裙座示意圖，其底板被水泥包裹，底板以上部分露出，裙座材料為S304不銹鋼，裙座外側覆蓋保溫層，作用為隔絕與外界溫度交換，因此，在計算溫度場時保溫層應考慮在內，但是在計算最后結構應力時，保溫層可以忽略。水泥有極高的隔熱能力，因此，底板的溫度可以認為不受換熱器影響，即不存在溫度應力，建模型時可以省略，底板與其他部位連接處施加全約束。裙座材料屬性見表1。

圖1　裙座示意圖

表1　裙座材料屬性

模型及網格劃分如圖2所示：

圖2　模型及網格圖

2.1 溫度場求解

由模型可以看出，模型內有3種傳熱形式。空氣與筒體形成對流傳熱。保溫層與筒體，保溫層與裙座之間為材料熱傳導。同時由于筒體外側與裙座內側構成了典型的熱箱結構，而且之間空氣無流動，因此熱箱內的以輻射傳熱主。裙座處筒內空氣溫度為527℃，外界空氣為22℃。

定義輻射矩陣的步奏如下：

1） 進AUX12，命令/AUX12，選擇單元shell57；

2）擇構成輻射面的節點和單元，命令：ESEL，S，TYPE；

3）確定輻射率（缺省為1.0），命令：EMIS；

4）定義Stefan-Baltzmann常數（缺省情況下，為5.67×10-8W/m2K4），命令：STEF；

5）確定計算形狀系數的方法，命令：VTYPE；

6） 矩 陣 寫 到 文 件jobname.sub中， 命 令：WRITE；

7）選擇所有節點及單元，作為一個超單元，以便之后熱分析時調用；

在建立輻射矩陣后，進入ANSYS前處理器，選擇單元MATRIX50，將熱輻射節點設置為輻射分析，讀入輻射矩陣。進入求解器，定義邊界條件，計算溫度場。本次分析的換熱器裙座的邊界條件及溫度場云圖如圖3所示。

圖3　邊界條件和溫度云圖

2.2 裙座應力求解

表2　設計工況表

在結構模型中導入計算完的溫度場。

經人工計算將風載、地震載荷、重力轉化之后，裙座及其裙座處的筒體上施加如下載荷：筒體內表面0.65MPa內壓。由，筒體上端面施加 ?20MPa 的拉應力。裙座底端施加全約束。筒體及裙座1/2模型的切面上施加對稱約束。換熱器的重量及裙座上端彎矩由廠方提供，裙座上端處的筒體端面施加972780N豎直方向的力，3.94× 108 N? mm彎矩。進入后處理求解，得到應力云分布圖。圖4為結構加載圖和應力云分布圖。

圖4　結構加載及應力云分布圖

3 結論

本文通過使用有限元軟件Ansys的AUX12模塊，建立了輻射矩陣，從而實現了對高溫下的熱輻射有限元模擬，計算了熱輻射存在的工況條件下，壓力容器或部件的應力分析，為以后的熱輻射的有限元模擬提供了工程實例。

參考文獻

［1］ 劉承.Ansys熱分析技術在復合保溫砌塊孔型布置中的應用［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2012，（5）：69-72.

［2］ 齊洪洋，高磊，張瑩瑩，等.管殼式換熱器強化傳熱技術概述［J］.壓力容器，2012，29（7）：91-95.

［3］ 張建峰，王翠玲， 吳玉萍， 等.ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用［J］.冶金能源，2005，23（5）：11-16.

Stress Analysis of Thermal Radiation by Ansys

Wu Hang
（Special equipment safety supervision inspection institute of Nantong in Jiangsu province Nantong 226000）

AbstractAnsys is a kind of finite element analysis software used for press vessel in complex operating mode to calculate structure stress and temperature stress of equipment or parts. The heat transfer mode should be confirmed before stress calculating. Different from heat conduction and heat convection which could be calculated directly calling analysis module of Ansys， there’s no method to calculate thermal radiation directly. In this paper， by using the AUX12 solver module and define radiation matrix about two surface there thermal radiation occuring， we can solve equipment’s heat stress calculation that thermal radiation exist on it.

KeywordsAnsys Thermal radiation Radiation matrix

中圖分類號：X933.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）05-0027-03

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.05.005

作者簡介：吳航（1990～），男，碩士，助理工程師，從事特種設備檢驗研究工作。

收稿日期：（2015-10-26）