基于ANSYS的热辐射应力分析

吴　航（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 南通 226000）



基于ANSYS的热辐射应力分析

吴航
（江苏省特种设备安全监督检验研究院南通分院 南通 226000）

摘 要：Ansys是常用的压力容器复杂工况的有限元分析软件，可以用来计算设备或者部件的结构应力和热应力。在计算温度应力时，首先应该确定热量的传递方式。在三种热传递方式：热传导，热对流，热辐射中，热传导和热对流可以直接调用ansys的分析模块进行计算，而热辐射不存在直接的计算方法。本文通过调用AUX12求解器模块，将存在热辐射的两个表面定义为辐射矩阵，通过超单元MATRIX50来实现定义辐射传热，从而解决了存在热辐射工况条件的设备的热应力计算。

关键词：Ansys 热辐射 辐射矩阵

压力容器广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、原子能等各种行业。在实际生产中，压力容器常常会处于复杂温度的工况条件下，使得部件承受较大的温度应力。随着非标设备的越来越多，传统的计算方法已经无法满足某些复杂工况下的计算。

有限元方法是目前应用较为成熟的一种非标设备应力计算方法。Ansys软件是目前应用最广的有限元软件，可以计算热传导和热对流形式下的温度应力，而热辐射由于其原理的复杂性，使得其求解的难度较热传导和热对流更高。本文通过调用AUX12模块，建立辐射矩阵的方法解决热辐射的原理问题，从而完成对热辐射工况下的温度应力的计算［1］。

1 热辐射及辐射矩阵

热辐射是一种常见的热量传递方式。电磁波以光的速度进行传递，而能量传递与辐射物体之间的介质无关。辐射传热是一种高度非线性的传热形式。物体表面的辐射遵循Stefan-Boltzmann定律［2-3］：

式中：

T——物体表面的绝对温度；

σ——Stefan-Boltzmann常数，5.67×10-8。

Ansys中应用较广且实用性较强的热辐射求解方法有两种：

1）通过调用AUX12，生成辐射矩阵的方式来求解热辐射；

2）Radiosity求解器方法，求解二维、三维面与面之间的热辐射，该方法对所有含温度自由度的二维和三维单元都适用。

利用AUX12产生辐射矩阵的方法相对简便易行，具有更好的工程应用效果，通过AUX12，建立辐射矩阵，生成超单元，以此进行热辐射分析。利用辐射矩阵的可以在建模时隐藏或省略某些面。AUX12计算面与面之间的辐射可分为以下三个步骤：

（1）定义辐射面；

（2）建立辐射矩阵；

（3）加载辐射矩阵，进行热分析。

本文将以这种方法计算存在热辐射影响的工程实例。

2 实例分析

图1为某热进料换热器的裙座示意图，其底板被水泥包裹，底板以上部分露出，裙座材料为S304不锈钢，裙座外侧覆盖保温层，作用为隔绝与外界温度交换，因此，在计算温度场时保温层应考虑在内，但是在计算最后结构应力时，保温层可以忽略。水泥有极高的隔热能力，因此，底板的温度可以认为不受换热器影响，即不存在温度应力，建模型时可以省略，底板与其他部位连接处施加全约束。裙座材料属性见表1。

图1　裙座示意图

表1　裙座材料属性

模型及网格划分如图2所示：

图2　模型及网格图

2.1 温度场求解

由模型可以看出，模型内有3种传热形式。空气与筒体形成对流传热。保温层与筒体，保温层与裙座之间为材料热传导。同时由于筒体外侧与裙座内侧构成了典型的热箱结构，而且之间空气无流动，因此热箱内的以辐射传热主。裙座处筒内空气温度为527℃，外界空气为22℃。

定义辐射矩阵的步奏如下：

1） 进AUX12，命令/AUX12，选择单元shell57；

2）择构成辐射面的节点和单元，命令：ESEL，S，TYPE；

3）确定辐射率（缺省为1.0），命令：EMIS；

4）定义Stefan-Baltzmann常数（缺省情况下，为5.67×10-8W/m2K4），命令：STEF；

5）确定计算形状系数的方法，命令：VTYPE；

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

7）选择所有节点及单元，作为一个超单元，以便之后热分析时调用；

在建立辐射矩阵后，进入ANSYS前处理器，选择单元MATRIX50，将热辐射节点设置为辐射分析，读入辐射矩阵。进入求解器，定义边界条件，计算温度场。本次分析的换热器裙座的边界条件及温度场云图如图3所示。

图3　边界条件和温度云图

2.2 裙座应力求解

表2　设计工况表

在结构模型中导入计算完的温度场。

经人工计算将风载、地震载荷、重力转化之后，裙座及其裙座处的筒体上施加如下载荷：筒体内表面0.65MPa内压。由，筒体上端面施加 −20MPa 的拉应力。裙座底端施加全约束。筒体及裙座1/2模型的切面上施加对称约束。换热器的重量及裙座上端弯矩由厂方提供，裙座上端处的筒体端面施加972780N竖直方向的力，3.94× 108 N⋅ mm弯矩。进入后处理求解，得到应力云分布图。图4为结构加载图和应力云分布图。

图4　结构加载及应力云分布图

3 结论

本文通过使用有限元软件Ansys的AUX12模块，建立了辐射矩阵，从而实现了对高温下的热辐射有限元模拟，计算了热辐射存在的工况条件下，压力容器或部件的应力分析，为以后的热辐射的有限元模拟提供了工程实例。

参考文献

［1］ 刘承.Ansys热分析技术在复合保温砌块孔型布置中的应用［J］.建筑砌块与砌块建筑，2012，（5）：69-72.

［2］ 齐洪洋，高磊，张莹莹，等.管壳式换热器强化传热技术概述［J］.压力容器，2012，29（7）：91-95.

［3］ 张建峰，王翠玲， 吴玉萍， 等.ANSYS有限元分析软件在热分析中的应用［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

中图分类号：X933.4

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）05-0027-03

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

作者简介：吴航（1990～），男，硕士，助理工程师，从事特种设备检验研究工作。

收稿日期：（2015-10-26）