收稿日期:2003-12-16
张建峰(1978～ ),硕士研究生;271019 山东省泰安市。
ANSYS 有限元分析软件在热分析中的应用
张建峰 王翠玲 吴玉萍(山东科技大学机电学院材料系)
顾 明
(济南钢铁集团第一炼钢厂)
摘 要 热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具,ANSYS 作为有限元分析软件在热分析方面具有强大的功能。本文介绍了ANSYS 热分析的基本原理、方法,综述了ANSYS 有限元软件在热分析中的应用现状,及应用ANSYS 进行热分析的发展趋势。关键词 ANSYS 有限元 热分析 应用
Application of ANSYS in H eat 2analysis
Zhang Jianfeng Wang Cuiling Wu Yuping (Shandong University of Science and Technology )
Gu Ming
(Jinan Iron and Steel Group Corporation )
Abstract Heat 2analysis is an analytical implement widely used in many areas ,and ANSYS ,FEA software ,has mighty function for heat 2analysis.Fundamental principles and methods of use are in 2troduced.And present state on application of ANSYS in heat 2analysis and the prospect are generalized in this paper.
K ey w ords ANSYS FEA heat 2analysis application
1 引言
热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具。国际热分析协会(简称ICTA )的命名委员会于1977年给的定义是:热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。定义中的程序控制温度是指按某种规律加热或冷却,通常是线性升温和线性降温。在实际生产过程中,常常会遇到各种各样的热量传递问题:如计算某个系统或部件的温度分布、热量的获取或损失、热梯度、热流密度、热应力、相变等等。所涉及的部门包括:能源、化工、冶金、建筑、电子、航空航天、制冷、农业、船舶等。比如机械加工,往往需要估算和控制工件的温度场,分析不同条件下,不同材料及几何形状对温
度场变化的影响,以及防止加工过程中工件缺陷
的产生。因此,热分析在工业生产及科学研究中具有重要的作用。
早在1887年,热分析实验首先由Le Chate 2lier 开始,当时是用热曲线方法分析陶瓷材料,
热曲线是用电流计、照相底片和切光器自动记录下来。1915年,出现了另一范畴的热分析,即
热重分析(TG )。1925年,日本电器工程师Ku 2jirai 和Akahira 首次用热重分析数据预测电绝缘
性能材料的使用寿命。而第三种热分析方法热膨胀仪出现于第二次世界大战之前。所以,在那个时期,这三大分析技术已经使用起来了。但是,仪器中全自动控制和记录还谈不上。
第二次世界大战之后,特别是上世纪50年代以来,自动控制和记录的技术得到了发展。在50年代中期,日本的全自动D TA 仪器已经有3
台。以后,自动化热天平和功率补偿式DSC 亦成为市售商品。1965年,在英国的阿伯丁举行
了首届国际热分析会议。
在1992年,另一划时代改革就是把温度调节引入到DSC。突破了由于先前的分析是在线性条件下,只能够局限于热焓测定的限制,同时较好地解决了由于热容而引起的相漂移问题。
自上个世纪后半叶以来,计算机技术突飞猛进,应用计算机技术进行热分析成为热分析发展中的一个飞跃性进步。
有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法,它以大型问题为对象,未知数的个数可以成千上万,因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具。由于有限元法强有力的、广泛的分析功能,以及固体力学的数学物理方程与很多其它领域的相应方程可归于同一类方程,因此很自然的被推广应用于分析其它领域问题,尤其是热分析中的场问题,甚至成了这一领域主要的分析方法。应用计算机这一先进手段,以有限元理论为基础进行数值模拟,则可以提高产品加工质量,省时省力,降低成本。ANSYS作为有效的有限元分析软件,应运而生。
2 ANSYS热分析简介
1970年,John Swanson博士创建了ANSYS 公司,致力于设计分析软件的开发,ANSYS程序的第一个版本仅提供了热分析及线结构分析功能,像当时的大多数程序一样,它只是一个批处理程序,且只能在大型计算机上运行。70年代初,ANSYS程序发生了很大变化,非线性、子结构以及更多的单元类型被加入了程序。70年代末,交互方式的加入是该程序最为显著的变化,它大大地简化了模型生成和结果评价(前处理和后处理)。在进行分析之前,可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件;在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。今天该程序的功能更加强大,使用更加便利。ANSYS作为新颖的有限元分析软件在处理热分析问题方面具有强大的功能,热分析问题一直是ANSYS重要的应用领域。而且其界面友好,易于掌握,可以随心所欲地选择图形用户界面方式(GU I)或命令流方式进行计算,同时具有强大的网格划分功能及强大的结果后处理功能。
在ANSYS公司推出的众多产品中,有五种产品能够进行热分析,包括ANSYS/Multi2 physics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/ELO TRAN、ANSYS/ED。
3 ANSYS热分析方法理论
311 有限元基础
用有限元法计算温度场并没有什么特别之处,稳态温度场与弹性力学振动问题相似,所不同的是场变量与物理参数。在弹性力学中,场变量是位移,是向量场,其物理参数是刚度系数。而在热传导问题中,场变量是温度,是标量场,其物理参数是热传导系数,从场论的角度讲,位移场、应力场也都属于场论的范畴,它们是矢量场。因此,求解弹性力学问题所用的划分单元、求解节点阵列、求单元刚度矩阵并构成总刚度矩阵、引入边界条件、求解方程组等一系列方法,都能用于求解温度场。
在ANSYS所进行的结构力学分析中,主要使用的是能量方程式,通过Rayleigh2Ritz方法,导出有限元分析的刚性矩阵。在Rayleigh2Ritz 方法中,使用能量方程式〔1〕:
U=∫v
1
2EI
(v″)2-pv dv(1)然而,并不是所有问题都适合用能量方程式来处理。对于纯量场问题,比如热分析等问题,由于微分方程式比能量方程式更容易获得,因此比较适合采用G alerkin方法,直接生成系统的刚性矩阵。方程式如下〔1〕:
U=∫l0(c i EI(N″i)2-N i P)dx(2)程序可处理热传递的三种基本类型:传导、对流和辐射。并可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。
312 ANSYS如何进行热分析
ANSYS进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元(包含若干节点),然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点温度,继而进一步求解出其他相关量。
以PLAN E55单元为例,该单元为四节点四
图1 PLAN E55
单元
图2 具有一定边界的区域被划分
成了有限个PLAN E55单元
边形单元,如图1～2所示〔2〕。四边形中任意一点的温度被离散到四个顶点中,即用T i 、T j 、T k 和T m 四个温度值来表示单元中的温度场。
T =f (T i ,T j ,T k ,T m )
对于图1所示具有一定边界的区域,被划分成了有限个PLAN E55单元。每一节点都有对应的数字符号1,2,3等;每一单元也有其相应的编号①、②、③等。每相邻单元之间通过公共顶点相互关联。
总的来说,单元划分得越小,计算精度就越高,根据实际情况灵活地改变单元的尺寸,就可以提高计算精度。
4 ANSYS 在热分析中的应用现状
随着ANSYS 有限元程序的不断改进和发展,版本的不断更新,其热分析功能越来越强大。热分析功能主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等,以及跟热有关的耦合场分析。ANSYS 公司已经正式发布了AN 2SYS810。该新版本在结构非线性、多物理场方面有很多增强;新版本还包含一个ANSYS Workbench Environment (AWE )的试用版,增强了热分析功能,辐射问题的计算速度大大增强,辐射视界系数(View Factor )可以二进制格式存储。
随着ANSYS 热分析功能的增强,计算机软硬件水平的提高,应用ANSYS 进行热分析研究
的工作也越来越深入。目前应用较好的领域有石
油化工、钢铁冶金、机械制造、轻工业、土木工程等科学研究领域。
钢铁行业投资大,工艺复杂,进行有限元模拟分析尤为重要。孔祥伟等采用大型有限元分析
软件ANSYS 对四辊轧机工作辊的温度场进行了模拟〔3〕,在模拟过程中,考虑了轧辊和轧件间的瞬态热接触和对流边界,动态分析了热轧时工作辊的升温过程,预测了工作辊的瞬态温度分布,并将所得的温度分布用于热凸度的近似计算中,其计算结果与文献结果相吻合。赵永忠,朱启建,李谋渭等利用ANSYS 大型有限元分析软件对中厚板轧后控冷过程进行了有限元模拟,得到了钢板在水冷条件下的温降曲线及瞬态温度场分布,为制定合理的控冷工艺提供了有力的指导作用〔4〕。鞍钢厚板厂现场试验结果表明,轧后控冷可以显著提高钢板的强度和韧性。龚涛,杨海西,邓康提出一个二维湍流模型模拟炼钢连铸过程中结晶器内的钢液流动及传热和凝固现象,并应用ANSYS 软件求解流动和传热方程。通过对不同浇注速度的流场和温度场的计算,分析了浇注速度对铸坯质量的影响。为验证模型的正确性,将计算结果与宝山钢铁公司小方坯连铸生产数据进行比较,发现该模型可有效模拟连铸过程的钢液流动及传热和凝固现象〔5〕。另外,许光明等还对液固相铝2不锈钢板轧制温度场应用ANSYS 进行了数值模拟,取得了较满意的结果〔6〕。
ANSYS 在焊接应力、温度场方面的应用也取得了一定的成果。杨庆祥,李艳丽,赵言辉,姚枚采用60CrMnMo 钢为基体材料,用AST 型X 射线应力分析仪对堆焊残余应力场进行了测定〔7〕。发现在堆焊金属中心部位和熔合区附近的热影响区出现了两个残余拉应力峰值。用ANSYS 计算软件,模拟了堆焊过程中温度场和残余应力场的分布,在模拟中考虑了马氏体相变、杨氏模量及其它参数对计算结果的影响,并将计算值与残余应力场的测量值进行了比较。结果表明,残余应力场的计算结果与实测结果吻合较好。吴祥兴等把ANSYS 应用到了激光焊接温
度场的数值模拟中〔8〕
。薛勇等进行了基于AN 2
SYS 软件的焊接变形预测〔9〕
。朱援祥,张小飞,
杨兵,李晓梅利用ANSYS有限元软件以BHW35钢补焊为例进行数值模拟,给出了有限元的实现过程〔10〕。并分别给出了一次、三次、五次补焊的模拟结果,将计算模拟值与实际测量数值比较。计算结果和实际测量数值基本吻合。并根据应力分布情况,得到一些结论,焊缝中心的残余应力变化不大;热影响区存在较高的残余拉应力,且同一位置,随修复次数的增加,应力值逐步提高;残余拉应力区宽度变大。还给出了焊后热处理后的应力大小情况,以证明焊后热处理能改善应力分布。
在国外,ANSYS在热分析的应用取得了很大的进展,与国内相比,以多场耦合的应用较多,如A1P1Amosov and A1F1Fedotov〔11〕应用ANSYS511对在脆性壳中合成坯件的高温热力学状态进行了模拟,有效的指导了具体工艺的实施。J1Drescher〔12〕,Y1H1Mu〔13〕等也进行了类似的研究。另外,有些科研工作者还把ANSYS 与其它的一些有限元软件如DEFORM等结合起来,或者与一些高级编程语言如C++等配合使用,取长补短,大大提高了研究的可靠性,通用性,扩展了ANSYS的应用,推动了热分析研究的进步〔14～15〕。
5 存在的问题及发展趋势
综上所述,应用ANSYS有限元程序进行热分析数值模拟的研究已经取得了一定的进展,但还远远没有结束,还需要进行进一步研究的方面主要有:
(1)材料的热物理学性能参数数据库,还有待于进一步开发,有待于通过实验进一步丰富。
(2)对潜热、辐射、对流、等离子体、反射等因素对温度场的影响进行更深入的研究和开发。
(3)考虑多个因素,进行两场甚至多场耦合求解,继续深入解决更多、更复杂的生产实际中的热分析问题。
(4)增强与其它程序,比如Auto CAD等的接口,增强CAD模型导入。
大型通用有限元分析软件ANSYS以其功能强大、使用方便、结果可靠、效率高等优点,必将成为热分析数值模拟的有力工具。
参考文献
1 堂兴伦等1ANSYS工程应用教程2热与电磁学篇1北京:铁道出版社,2003
2 龚曙光1ANSYS基础应用及范例解析1北京:机械工业出版社,2003,5
3 孔祥伟,李壬龙,王秉新,王国栋,刘相华1轧辊温度场及轴向热凸度有限元计算1钢铁研究学报, 2000,12(9)
4 赵永忠,朱启建,李谋渭1中厚板控冷过程有限元模拟及在生产中的应用1冶金设备,2002,12(6)
5 龚涛,杨海西,邓康1连铸过程中结晶器内流体流动和温度传输的数值模拟1计算物理,2000,17(6) 6 许光明,李兴刚,崔建忠1液固相铝2不锈钢板复合轧制温度场的模拟计算1钢铁研究学报,2002,12
(4)
7 杨庆祥,李艳丽,赵言辉,姚枚1堆焊金属残余应力场的计算机模拟1焊接学报(Transactions of the China Welding Institution),2001,3(22)
8 吴祥兴,胡伦骥,杜汉斌,胡席远1在激光焊接温度场数值模拟中的应用1电焊机,2002,32(9)
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10 朱援祥,张小飞,杨兵,李晓梅1基于有限元的多次补焊焊接残余应力的数值模拟1焊接学报(Transactions of the China Welding Institution), 2002,1(23)
11 A1P1Amosov and A1F1Fedotov,Finite2Element Plane Model of Thermal Conditions in Self2Progragating High2 Temperature Synthesis of Blanks in a Friable Shell, Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol174,No15,20011
12 J1Drescher,R1Schmidt,H12J1Hardtke,Finite2Ele2 ment2Modellierung und Simulation Des Menschlichen
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张长保 编辑