基于ANSYS的输油栈桥供热管道热-结构耦合分析

叶洋帆，张文辉，闻 志，叶晓平，游张平

(1. 浙江省工程物探勘察设计院有限公司，浙江 杭州 310000；2. 南京晓庄学院 电子工程学院，江苏 南京 211167；3. 浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310000；4. 丽水学院 工学院，浙江 丽水 323000；5. 浙江省航空航天金属导管塑性成形技术与装备重点实验室，浙江 丽水 323000；6. 浙江省文创产品数字化设计与智能制造重点实验室，浙江 丽水 323000)

热-结构耦合问题是结构分析中经常遇到的一类耦合分析问题[1-3].结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，或者结构部件在高温环境中工作受到温度的影响会发生性能的改变，这些都是进行结构分析时需要考虑的因素[4-6].为此需要先进行相应的热分析，然后再进行结构分析.热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其他物理参数，如热量的获取或损失，热梯度，热流密度等[7].

本文针对输油栈桥供热管道的轴对称特点，采用截面法进行了有限元分析.首先定义材料的属性，进而建立截面有限元模型，定义边界条件，明确内外边界对流系数和内外壁温度等参数，最后进行求解，获得其形变图，热梯度等值线图，温度场分布图，热流量等值线等重要数据.该方法对输油栈桥供热管道及其他类似对称结构部件的动态指标分析、研发具有重要工程指导意义.

1 有限元模型建立

图1 供热管道接头部位

1.1 属性定义

带供热片的轴对称管，其管道和供热片均为不锈钢，管内为热流体.供热管道接头部段如图1所示.参考供热管实际工况[7]，相关参数为：管内压力为7.5 MPa，管内流体温度为250 ℃，管外为空气，管外流体温度为39 ℃.材料数据如下.

弹性模量：1.93 MPa

柏松比：0.3

热膨胀系数(/℃)：1.62e-5

热导系数(W/m·℃)：25.96

图2 创建截面模型

管内表面对流系数(W/(m2·℃) ：249.23

管外表面对流系数(W/(m2·℃))：62.3

定义分析范畴：热应力(Structure-Therma)

定义热系数：25.96

定义材料力学性能参数，弹性模量EX和泊松比分别为1.93e5和0.3

定义材料的热膨胀系数：1.62e-5

1.2 创建供热管道有限元模型

由图1可以看出，供热管道是轴对称图形，取其管道接头部位截面进行研究，建模如下[5]：

(1)创建截面平面几何模型(图2)；(2)对截面进行有限元网格划分(图3)；(3)定义边界并求解(图4).定义外表面对流系数62.3，外表面温度39 ℃，对流系数249.23，内表面温度250 ℃，载荷为管内压力7.5 MPa.

图3 划分有限元网格

图4 定义模型参数

2 供热管道热-结构解耦分析

图5 热流量分布情况图

2.1 热流量求解

热流量是一定面积的物体两侧存在温差时，单位时间内由导热、对流、辐射方式通过该物体所传递的热量，单位W.选择求解器求解后结果如下[8]：

通过求解后获得热流量分布情况如图5所示.由图中可知：SMX是指节点热流量中深色区域最大值为172.721；SMN是指节点热流量中浅色区域最小值为0.657e-12，这说明供热管道内部热流量最高，并呈现逐渐降低的趋势.

2.2 热梯度求解

热梯度又叫“温度梯度”，即温度变化的速度与方向，选择求解器求解后结果如下：

图6 供热管道截面热梯度分布等值线图

由图6中可知：热梯度结果中最大的解为6.65335.热梯度结果中最小的解为0.253e-13.这说明热梯度由热流量决定梯度分布，并呈现相同变化.

2.3 位移分布等值求解

位移分布等值求解主要获得温度造成的位移改变量[9]，即发生位移后和发生位移前的图像(线框为发生位移前的)，选择求解器求解结果.由图7中可知： DMX最大位移为0.246844 mm，节点位移结果中最大的解为0.246844 mm，在深色区域.位移结果中最小的解为0.157803 mm，在浅色区域.这说明受到热胀冷缩的影响，热梯度大的地方，变形位移较大；壁厚与位移量呈正比，在散热片半径大的区域，位移更小.

2.4 等效应力求解

等效应力是指一种应力作用效果可以逆转化成无数种特定的受力形式，这种应力作用效果对于这无数种特定的受力形式来说叫做等效应力[10，11].

由图8中可知：节点等效应力结果中最大的解为564.736 MPa.节点等效应力结果中最小的解为31.3215 MPa.这说明受热最大的地方，其等效力最大.

2.5 温度分布求解

图7 供热管道截面位移分布等值线图

图8 供热管道截面等效应力场分布等值线图

图9 供热管道截面温度分布等值线图

由图9中可知：节点温度结果中最大的解为249.326 ℃.节点温度结果中最小的解为39 ℃.这说明热梯度流量越大的地方，温度越高，随着远离管道内壁，温度越来越低.

3 结论

由于结构温度场的分布不均会引起结构的热应力，因此研究输油栈桥供热管道的热-结构耦合对于产品改进具有重要意义.基于ANSYS对供热管道的热-结构耦合进行了分析，获得了如下结论：

(1) 定义了供热管道的材料属性及工况环境；采用截面法对供热管道进行建模，降低了计算量，简化了分析流程；

(2) 对其进行热-结构耦合分析，通过对热流量与热梯度的分析，可知管道内侧热流量最大172.721 W，热梯度最大值6.65335；

(3) 对输油栈桥供热管道位变形、等效应力和温度分布进行了分析，求解结果表明最大位移为0.246844 mm，最大应力为564.736 MPa，最高温度249.326 ℃.

所采用的分析方法为供热管道的改进提供了借鉴，加快了产品研发周期.所获得的相关数据结论对供热管道的研发与性能改进具有一定借鉴意义.