Thermische Spannungen eines Tanks

Diese Seite ist eine Fortsetzung der thermischen Analyse, die in den Beispielen: Stationäre Wärmeübertragung: Temperatur eines Tanks. Schließen Sie diese Übung ab, bevor Sie mit der vorliegenden Übung beginnen.

Wenn die Temperaturverteilung ermittelt wurde, kann die temperaturbedingte Ausdehnung berechnet werden. Allgemeine Vorgehensweise:

Vorgehensweise für die lineare, statische Analyse:

  1. Kehren Sie zum FEM-Editor zurück.
  2. Das neue Entwurfsszenario und die Analyseart können in einem Schritt erstellt werden: Klicken Sie oben in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Analyseart, und wählen Sie Aktuelle Analyseart festlegen Linear Statische Spannung mit linearen Materialmodellen. Klicken Sie auf Ja, wenn Sie die Möglichkeit erhalten, ein neues Entwurfsszenario zu erstellen.
  3. Wählen Sie den Namen des neuen Entwurfsszenarios (2 <Wärmeübertragungsanalyse>), und klicken Sie auf F2, um den Namen zu bearbeiten. Ändern Sie ihn zu Statische Spannung.
  4. Geben Sie die Elementdefinitionen ein. Da alle drei Bauteile dieselben Daten haben, können sie gleichzeitig eingegeben werden.
    1. Wählen Sie die Elementdefinition für Bauteil 1 in der Strukturansicht.
    2. Halten Sie die STRG-Taste gedrückt, und wählen Sie die Elementdefinition für Bauteile 2 und 3 aus.
    3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf einen der Einträge, und wählen Sie Elementdefinition bearbeiten.
    4. Geben Sie eine Dicke von 0.25 Zoll ein.
    5. Geben Sie einen Normalenpunkt (Y) von 33 ein. Dadurch wird die hydrostatischer Druck auf die Innenseite des Tanks angewendet. (Alle Koordinaten im Tank funktionieren. Technisch gesehen muss der Normalenpunkt nur für Bauteil 2 festgelegt werden. In diesem Modell es ist kein Problem, ihn auch für die anderen Bauteile festzulegen).
    6. Geben Sie eine spannungsfreie Referenztemperatur von 70 ° F (21,1 °C) ein.
    7. Klicken Sie auf OK.
  5. Wählen Sie in der Strukturansicht einen Materialeintrag (oder alle drei) aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Material bearbeiten. Für Thermischer Ausdehnungskoeffizient ist ein Wert festgelegt. Klicken Sie daher auf Abbrechen, um den Bildschirm zu schließen.
  6. Die Randbedingungen werden in drei Phasen hinzugefügt: Symmetrierandbedingungen, feste Randbedingungen um die Bolzenbohrung in den Stützplatten herum und vertikale Randbedingungen auf den Stützplatten.
    1. Zeigen Sie das Modell von oben an (Ansicht Navigieren Ausrichtung Draufsicht).
    2. Wählen Sie mit der Punktauswahl (Auswahl Form Punkt oder Rechteck) die Flächen (Auswahl Auswählen Fläche) entlang der linken Kante des Modells aus. Die Kante des Tanks (Bauteil 2 Fläche 6) und der Stützplatte (Bauteil 1 Fläche 6) müssen beide ausgewählt werden (halten Sie die STRG-Taste nach dem Auswählen der ersten Kante gedrückt).
    3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen Sie Zugehörige auswählen Scheitelpunkte, um nur die Knoten abzurufen. (Durch Anwenden einer Last auf eine Platte wird die Last auf das gesamte Element angewendet.)
    4. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Randbedingung an Knoten. Klicken Sie auf X Symmetrie, da die X-Achse lotrecht zur Fläche ist. Klicken Sie auf OK, um die Randbedingungen anzuwenden.
    5. Wiederholen Sie diese Schritte für die obere Kante des Modells, indem Sie den Tank (Bauteil 2 Fläche 4) und die Stützplatte (Bauteil 1 Fläche 4) auswählen. Wenden Sie Randbedingungen Y Symmetrie an, da die Y-Achse lotrecht zur Fläche ist.
    6. Verwenden Sie den Flächenauswahlmodus (Auswahl Auswählen Fläche), und wählen Sie die Kante der Schraubenbohrung (Bauteil 1, Fläche 3) aus. Da sich die Bohrungen in beiden Stützplatten auf dem gleichen Bauteil/der gleichen Fläche befinden, muss nur eine ausgewählt werden, um beide auszuwählen. (Möglicherweise müssen Sie die Stützplatte vergrößern, um auf die Kante der Bohrung zu klicken).
    7. Klicken Sie mit der rechten Maustaste und wählen Sie Zugehörige auswählen Scheitelpunkte, um nur die Scheitelpunkte abzurufen.
    8. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Randbedingungen an Knoten. Klicken Sie auf Verstiftet. Klicken Sie auf OK, um die Randbedingungen anzuwenden.
    9. Wählen Sie im Flächenauswahlmodus (Auswahl Auswählen Fläche) die Stützplatte (Bauteil 1, Fläche 7) aus.
    10. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Randbedingung an Fläche. Klicken Sie auf das Feld Tz, um den Kontakt mit der Oberseite des Pfeilers zu simulieren. Klicken Sie auf OK, um die Randbedingungen anzuwenden.
  7. Wenden Sie die hydrostatische Last folgendermaßen auf den Tank an:
    1. Wechseln Sie zu einer isometrischen Ansicht: Ansicht Navigieren Ausrichtung Isometrische Ansicht.
    2. Wählen Sie mit der Flächenauswahl (Auswahl Auswählen Fläche) den Tank an eine Stelle unterhalb des Wasserstands (Bauteil 2, Fläche 10) aus.
    3. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Hydrostatischer Flächendruck.
    4. Klicken Sie auf die Punktauswahl, um den Punkt auf Fluidoberfläche (Knoten am oberen Rand von Fläche 10, am Wasserstand) anzugeben. Die Z- Koordinate ist die wichtigste Koordinate. Sie ist 16.63 Zoll.
    5. Die Flächennormale der Flüssigkeit gibt die Richtung der Schwerkraft an. Geben Sie einen Wert von -1 für die Z-Richtung ein.
    6. Geben Sie die Fluiddichte des Wassers als 0.0361 lbf/in3 an.
    7. Klicken Sie auf OK, um den Druck anzuwenden.
  8. Die Temperaturen aus dem Wärmeübertragungsmodell werden auf das Spannungsmodell unter den Analyseparametern angewendet. Hier werden auch Drucklastfälle und die Schwerkraft angegeben.
    1. Verwenden Sie den Befehl Setup Modell einrichten Parameter.
    2. Verwenden Sie für diese Analyse drei Lastfälle zum Anzeigen der Auswirkungen, die aufgrund des hydrostatischen Drucks allein, der Temperatur allein und beider Lasten zusammen entstehen. (Hiermit werden die gekühlt Bedingung, der Tank unmittelbar nach dem Leeren und die normale Betriebsbedingungen simuliert.) Natürlich tritt bei allen drei Bedingungen Schwerkraft auf. Geben Sie die Lastfall-Multiplikatoren auf der Registerkarte Multiplikatoren wie in der folgenden Tabelle gezeigt ein.
      Index Druck Bschleunigung/Schwerkraft Drehung Winkelbeschleunigung Begrenzung Thermisch Spannung
      1 1 1 0 0 0 0 0
      2 0 1 0 0 0 1 0
      3 1 1 0 0 0 1 0
    3. Klicken Sie auf die Registerkarte Gravitation/Beschleunigung, um die Schwerkraft einzurichten. Klicken Sie auf Standard Schwerkraft, um die Beschleunigung durch Kraft auf Körper festzulegen. Die Richtung sollte der Standardwert des Z-Multiplikators -1 sein.
    4. Klicken Sie auf die Registerkarte Thermisch/Elektrisch, um die Temperaturen festzulegen. Legen Sie für Quelle der Knotentemperatur die Option Statische Analyse (Endzustand). Klicken Sie auf Durchsuchen, und navigieren zu dem Ordner, in dem sich das Modell befindet, dann zum Ordner tank model.ds_data, und anschließend zum Ordner, in dem die Ergebnisse aus Entwurfsszenario 1 gespeichert sind. Wählen Sie die Datei ds.to aus, und klicken Sie auf Öffnen.
    5. Klicken Sie auf OK, um das Dialogfeld Analyseparameter zu schließen. Wenn Sie aufgefordert werden, einen Multiplikator für die thermischen Effekte zuzuweisen, die auf das Modell angewendet werden, wählen Sie Nein. Die Eingabeaufforderung bezieht sich auf den Thermischen Multiplikator 0 für Lastfall 1, das Setup (wie zuvor gezeigt) ist beabsichtigt.
  9. Führen Sie die Analyse durch (Analyse Analyse Simulation ausführen). (Da die Analyse sehr schnell ist, wird die Modellüberprüfung nicht durchgeführt, bei der die Eingabe vor der Analyse geprüft wird.)
  10. Nachdem die Analyse abgeschlossen ist, prüfen Sie die Eingaben für ihre Genauigkeit. Bei diesem Modell sind die wichtigsten zu prüfenden Eingaben:
    1. Druck in der Fallrichtung: Aktivieren Sie, falls notwendig, die Lasten und Abhängigkeiten aus der Werkzeugleiste. Die Druckpfeile sollten zur Unterseite des Tanks hin länger werden. Alle Pfeile müssen nach außen gerichtet sein.
    2. Temperatur geladen: Zeigen Sie über Ergebniskonturen Andere Ergebnisse Angewendete Lasten Temperatur die Temperaturen in der Spannungsanalyse an. Das Muster sollte mit den Ergebnissen der stationären Wärmeübertragung identisch sein.
    3. Randbedingungen: Die Randbedingungen können entweder einzeln oder als Ganzes geprüft werden. Da wir über die Ergebnisse verfügen, ist es schneller, wenn geprüft wird, ob das Verhalten korrekt ist, ohne jede Bedingung einzeln zu prüfen.
      1. Deaktivieren Sie die Lasten und Abhängigkeiten in der Werkzeugleiste.
      2. Wechseln Sie zu Ergebniskonturen Verschiebung Verschobene anzeigen Optionen für Verschobene.
      3. Aktivieren Sie die Option Verschobenes Modell anzeigen.
      4. Aktivieren Sie die Option Netz, um das unverschobene Modell anzuzeigen.
      5. Schieben Sie den Regler hin und her, um die verschobene Form überhöht darzustellen. Wenn die Randbedingungen korrekt sind, dann (a) weicht nur das Tankende der Stützplatten ab, (b) bleiben die Knoten in der YZ-Ebene aufgrund der Symmetrie in dieser Ebene, und (c) bleiben die Knoten in der XZ-Ebene aufgrund der Symmetrie in dieser Ebene.
  11. Wenn die Randbedingungen korrekt sind, legen Sie als Skalierungsfaktor 5 fest, und schließen Sie das Dialogfeld.

Überprüfen Sie die von Mises-Ergebnisse (Ergebniskonturen Spannung von Mises) und die Verschiebungsergebnisse (Ergebniskonturen Verschiebung Verschiebung Betrag) aller drei Lastfälle (Ergebniskonturen Optionen für Lastfall Nächste) fest. Die maximalen Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Lastfall Bedingung Maximale von Mises-Spannung Maximale Größe der Verschiebung
1 Druck und Schwerkraft 5600 psi 0.0249 Zoll
2 Temperatur und Schwerkraft 21400 psi 0.0330 Zoll
3 Druck, Temperatur und Schwerkraft 19600 psi 0.0334 Zoll

Andere Ideen:

Transiente Wärmeübertragung und lineare statische Spannung:

Wenn eine transiente Wärmeübertragungsanalyse anstelle einer stationären Wärmeübertragung durchgeführt wurde, entsprechen die Schritte zum Durchführen der linearen statischen Spannungsanalyse den oben erläuterten Schritten, mit Ausnahme des Schritts, bei dem die Quelle der Knotentemperatur ausgewählt wird. Natürlich würde hier Transiente Analyse festgelegt werden. Da bei der linearen Spannung nur ein Temperaturprofil aus der transienten Wärmeübertragungsanalyse für alle Lastfälle in der Spannungsanalyse verwendet wird, geben Sie mithilfe der Dropdown-Menüs Zeitschritt an, welcher Zeitschritt verwendet werden soll.

Stationäre Wärmeübertragung und Mechanischer Ereignissimulator (MES):

Die Schritte zum Durchführen einer thermische Spannungsanalyse mit der nichtlinearen/MES-Analyse anstelle der nichtlinearen statischen Spannung sind sehr ähnlich. Es gibt folgende Unterschiede:

  1. Wählen Sie in der Elementdefinition ein Materialmodell mit thermischen Effekten aus, z. B. Thermoelastisch. Andernfalls tritt bei den Bauteilen keine thermische Ausdehnung auf (wie man beim Anzeigen der Materialeigenschaften feststellen kann: es gibt keinen Ausdehnungskoeffizienten).
  2. Im Dialogfeld Analyseparameter wird die Registerkarte Thermisch/Elektrisch zum Festlegen der Quelle der Temperatur verwendet, wie der linearen Analyse. Der Unterschied zur nichtlinearen/MES-Analyse besteht darin, dass die Temperaturen aus einer stationären Wärmeübertragungsanalyse während der Analyse durch die zugewiesene Lastkurve angepasst werden können. Alle Temperaturen T aus der stationären Wärmeübertragungsanalyse werden mit dem Wert multipliziert, der für den Lastkurven-Multiplikator (LCM) eingegeben wurde. Zweitens basiert die Ausdehnung auf dem Unterschied zwischen diesen Temperaturen (TxLCM) und der eingegebenen spannungsfreien Referenztemperatur. Daher ist es normalerweise nicht sinnvoll, die Temperaturen mithilfe einer Lastkurve von der spannungsfreien Bedingung in die Betriebsbedingung zu bringen. Durch Zuweisen der Temperaturen zu einer Lastkurve, für die ein konstanter Wert von 1 festgelegt ist, wird die gesamte thermische Last zu Beginn der Analyse angewendet, und es können Konvergenzprobleme entstehen. Am Anfang der Analyse kann natürlich ein Lastkurven-Multiplikator verwendet werden, wodurch alle Temperaturen zu Beginn näher an der spannungsfreien Referenztemperatur liegen. Dadurch werden die Konvergenzprobleme verringert, die durch Anwenden der vollen Last entstehen.

Wenn die Spannungsergebnisse vom Lastpfad abhängen, kann es sinnvoller sein, anstelle einer stationären Wärmeübertragungsanalyse eine transiente Wärmeübertragungsanalyse zu verwenden.

Transiente Wärmeübertragung und Mechanischer Ereignissimulator (MES):

Die Verwendung der Ergebnisse aus einer transienten Wärmeübertragungsanalyse in einer nichtlinearen/MES-Spannungsanalyse ähnelt der Vorgehensweise für eine stationäre Wärmeübertragungsanalyse (wie oben beschrieben). Der einzige Unterschied bezieht sich auf die Lastkurve. Wie oben erläutert, werden die Temperaturen aus der statischen Analyse mit dem Lastkurven-Multiplikator multipliziert, der dann definiert, wie die Temperaturen sich im Laufe der Zeit ändern. Da die transiente Wärmeübertragung im Laufe der Zeit bereits zu Ergebnissen geführt hat, werden die Temperaturen aus der transienten Wärmeübertragungsanalyse keiner Lastkurve zugewiesen. Stattdessen stimmt die nichtlineare/MES-Analyse die Zeit jedes Ergebnisses der transienten Wärmeübertragung mit den Zeitschritten der Spannungsanalyse ab. Wenn ein Zeitschritt in der Spannungsanalyse nicht über eine entsprechende Zeit in der Wärmeübertragungsanalyse verfügt, werden die Temperaturergebnisse interpoliert.

Übergeordnetes Thema: Lineare und dynamische Spannung