隨著計算機(jī)技術(shù)和計算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，近年來計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已成為產(chǎn)品研發(fā)中的一個重要輔助手段，數(shù)值模擬與分析也逐步開始應(yīng)用于各類流體機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與分析，國際上一些發(fā)達(dá)國家運(yùn)用數(shù)值模擬與分析對產(chǎn)品進(jìn)行了大量計算機(jī)模擬試驗研究，如Cameron、EEC等公司在解決可靠性方面做了較多研究，Cameron公司為防止震動、減少沖蝕磨損，盡量減少帶有盲目性的樣機(jī)制作，對其產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬研究，使其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和流道設(shè)計更趨合理。
在模擬過程中根據(jù)產(chǎn)品在工程應(yīng)用中一些實(shí)際運(yùn)行條件輸入一些經(jīng)驗的或是理論的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬計算求出所要的各種場的分布，而模擬試驗的結(jié)果正確與否，要通過真實(shí)試驗結(jié)果來驗證，或用試驗結(jié)果對模擬模型進(jìn)行修正。在沒有試驗設(shè)備的條件下通過模擬試驗也可對產(chǎn)品的性能有一個很好的預(yù)測。通過流場各種性能參數(shù)的模擬試驗結(jié)果與真實(shí)試驗數(shù)據(jù)的對比，可以評估所用模擬軟件對產(chǎn)品在特定條件下模擬結(jié)果正確性和可信度。為以后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計提供良好的參考和指導(dǎo)，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加優(yōu)越。這里用ANSYS軟件進(jìn)行低溫蝶閥的模擬運(yùn)算分析。
2.模型及物性參數(shù)
2.1建模與簡化計算模型
圖1為蝶閥的半剖示意圖，其公稱直徑為DN250，其在密封性試驗時處于關(guān)閉狀態(tài)。為了在試驗過程中減少跑冷損失，首先去掉圖1中的傳動裝置、傳動支架和接頭部分。對低溫蝶閥適當(dāng)?shù)暮喕缓筮M(jìn)行模擬，前提是不影響原來的模型，主要是去掉一些對結(jié)果沒有影響的倒角和盲孔里的錐底，這樣便于在ANSYS中劃分高質(zhì)量網(wǎng)格。由于主要是針對蝶閥的閥體、閥板、閥桿及其與之關(guān)聯(lián)的部分進(jìn)行模擬，所以簡化后的模型如圖2示。
圖1 低溫蝶閥半剖圖
圖2 低溫蝶閥模型簡化圖
2.2材料的物性參數(shù)
該低溫蝶閥閥體、閥板以及閥桿材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti，密度為7900kg/m3。由于這種不銹鋼的材料在試驗中內(nèi)部組織變化程度很小，所以可忽略其相變過程中釋放的潛熱。蝶閥閥桿與閥體間的密封設(shè)計采用填料函密封結(jié)構(gòu)，為了避免溫度過低對填料函造成嚴(yán)重的影響，繼而影響閥門的正常操作，在設(shè)計時通過采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，同時選用耐低溫的柔性石墨填料。柔性石墨是目前*優(yōu)良的密封材料之一。填料函處的填料及閥板密封材料均使用柔性石墨，其熱導(dǎo)率和比熱容受溫度的影響變化不大。在數(shù)值計算過程中取其平均熱導(dǎo)率87W/（m·K），平均比熱容510J/（kg·K），以及密度1530kg/m3。
3.瞬態(tài)傳熱分析
瞬態(tài)傳熱是指一個系統(tǒng)在加熱或是冷卻過程中系統(tǒng)的熱流率、溫度、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時間變化的過程。根據(jù)能量守恒定律，瞬態(tài)平衡的矩陣表達(dá)式為：
［C］{T}+［K］{T}={Q} （1）
式中：［K］為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；［C］為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{T}為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含生成熱。
在具體的傳熱過程中，材料的物性參數(shù)、邊界條件與溫度有關(guān)時，此時的瞬態(tài)熱平衡表達(dá)式為：
［C（T）］{T}+［K（T）］{T}={Q（T）} （2）
3.1 ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要過程
ANSYS瞬態(tài)傳熱分析的主要步驟：建立模型、施加載荷、求解和后處理。
（1）建立模型：定義材料的熱物性，定義的不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容。定義柔性石墨的密度為1530kg/m3，比熱為510J/（kg·℃），平均導(dǎo)熱系數(shù)為87W/（m·℃）。建立如圖2所示幾何模型，為不同的面積定義材料的屬性，并對幾何模型劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的單元邊長設(shè)定為0.001。
（2）施加載荷：定義瞬態(tài)熱分析的初始條件。定義邊界條件，在DifineinitialConditions對話框中，選擇LabDOFtobespecified后的下拉表框中選擇TEMP選項，在VALUE文本框中輸入37℃。在Thermal/convection/online命令后彈出選擇對話框，在圖形窗口中選擇需要施加對流傳熱的邊，確定后在VALI中定義對流傳熱系數(shù)為120W/（m2·K），溫度定義為-105℃。
（3）求解：確定Time/Frequence選項。設(shè)置載荷步的載荷子步或時間增量，根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按ITS=δ2/4α估計初始時間步長，其中δ為沿?zé)崃鞣较驘崽荻?大處的單元長度，α為導(dǎo)溫系數(shù)，α=K/（ρ·C）。
Time/Frequence選項的子選項Time-timestep中設(shè)置總時間為10800s（3h），時間步為10s，*小時間步1s，*大時間步為250s，在stepped項中選擇ON。并設(shè)定自動時間選項為ON，以便于在求解過程中自動調(diào)整時間步長。
非線性選項每個子步默認(rèn)的迭代次數(shù)為25，在OutputCtrls/DB/Resultsfile選項中選擇Allitems，并在filewritefrequency選項中選擇Everysubstep，求解solve/CurrentLS。
（4）后處理：利用POST1對模型進(jìn)行后處理。
3.2 瞬態(tài)傳熱分析的結(jié)果與分析
利用POST1對圖2模型進(jìn)行后處理，對流傳熱系數(shù)為120W/（m2·K），冷卻溫度為-105℃時的溫度分布云圖如圖3、圖4所示。
從溫度分布云圖可以看出，當(dāng)對流傳熱系數(shù)為120W/（m2·K），冷卻溫度為-105℃時，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中*高溫度為-102.418℃需要10308s。閥板中心點(diǎn)處為低溫閥體的溫度*高點(diǎn)。閥體外表面是其*低溫所在位置。應(yīng)用POST26處理器查看低溫閥門各點(diǎn)的溫度隨時間變化如圖5所示。
從圖5中可以看出隨著時間的變化，各點(diǎn)的溫度都在降低，在開始的3300s內(nèi)溫度降低幅度比較大，換熱比較快。而在3300s之后各點(diǎn)的溫度降低幅度明顯減小，換熱比較慢。故而可以得出：隨著時間的推移，低溫蝶閥與試驗箱內(nèi)的溫差逐漸減小，且溫差減小幅度從快到慢。當(dāng)?shù)竭_(dá)一定的時間后閥體的溫度幾乎不在變化，溫度等同于試驗箱內(nèi)的溫度。
圖5 10800s內(nèi)各點(diǎn)溫度的變化曲線
只改變對流傳熱系數(shù)，其它條件均不變。閥體從環(huán)境溫度降到閥體*高溫度-102.418℃，所需要的時間隨對流傳熱系數(shù)的變化如表1，圖6是其擬合曲線。
圖6 所需時間隨對流傳熱系數(shù)變化的擬合曲線
從而得到在不同的對流傳熱系數(shù)下閥體從環(huán)境溫度降到閥體*低溫度-102.418℃所需要的時間3次多項式公式為：T（s）=-0.0026h3+1.1440h2-182.1711h+20250.6162
表1 對流傳熱系數(shù)與降到-102.418℃所用時間ANSYS分4.熱-結(jié)構(gòu)耦合分析
ANSYS不僅能解決單純的熱分析問題，也能解決與熱相關(guān)的耦合場作用問題，熱-結(jié)構(gòu)耦合分析便是其中之一。ANSYS進(jìn)行耦合分析的方法有兩種：直接耦合法和間接耦合法。直接耦合法在解決耦合場相互作用具有高度非線性時更具有優(yōu)勢；對于不存在高度非線性相互作用的情況，間接耦合法更為方便有效。本文采用間接耦合的方法對低溫閥的熱-結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。間接熱-結(jié)構(gòu)耦合法是通過把**次熱場分析的結(jié)果作為**次應(yīng)力場的載荷來實(shí)現(xiàn)兩種物理場的耦合。
間接耦合法分析的基本過程：
（1）熱分析：使用ANSYS熱分析的所有功能，在劃分網(wǎng)格時要盡可能的劃分的密一些，因為這樣便于后續(xù)的分析。
（2）單元轉(zhuǎn)換：上述熱分析完成后，再次進(jìn)入前處理。在這部分，通過相應(yīng)的命令Switchelementtype/thermaltostructure把原來的熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元structuresolid4node182。
（3）結(jié)構(gòu)分析參數(shù)設(shè)置：設(shè)置結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，包括材料的熱膨脹系數(shù)、前處理設(shè)置、節(jié)點(diǎn)耦合約束方程等。
（4）結(jié)構(gòu)分析邊界條件輸入：選擇熱分析的結(jié)果文件*.rth作為結(jié)構(gòu)分析的邊界條件輸入，并設(shè)定參考溫度。
（5）結(jié)構(gòu)分析求解和后處理：結(jié)果主要由應(yīng)力、應(yīng)變等組成。結(jié)果文件主要包括基本數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。X、Y方向和總的熱變形位移圖分別如圖7、圖8、圖9所示。圖中的位移顯示放大了100倍。圖中黑色邊線為常溫下的狀態(tài)，云圖顯示了閥體在試驗條件下狀況。X、Y方向和總的熱變形*大位移分別為0.0756、0.0339、0.0863mm。
總熱應(yīng)力分布如圖10所示，在法蘭處所受到螺栓的約束，*大應(yīng)力集中在法蘭和閥體與閥頸連接處。但*大的熱應(yīng)力為0.171GPa，遠(yuǎn)小于閥體材料的屈服強(qiáng)度1.240GPa，閥體的變形屬于彈性變形，所以閥體材料在低溫條件下運(yùn)行是**的。
圖10 熱應(yīng)力分布圖
5.結(jié)語
對低溫閥在新的測試環(huán)境下的降溫速度進(jìn)行模擬試驗，確保試驗時低溫閥閥板中心達(dá)到試驗所要求的溫度，為低溫閥門的試驗提供一個冷卻時間參考，當(dāng)對流傳熱系數(shù)為120W/（m2·K），冷卻溫度為-105℃時，低溫閥從環(huán)境溫度降到低溫閥中*高溫度為-102.418℃需要10308s。同時擬合出同一低溫閥從環(huán)境溫度降到試驗溫度時所需要時間隨對流傳熱系數(shù)變化的多項表達(dá)式。通過熱-結(jié)構(gòu)耦合對低溫閥在低溫條件下熱變形位移、熱應(yīng)力分布進(jìn)行模擬計算，應(yīng)用模擬試驗可以預(yù)測閥門在低溫狀態(tài)下應(yīng)力集中的區(qū)域，為設(shè)計人員對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。
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