Температурные напряжения при нагреве металла. Параллельный сопряженный анализ

Постановка задачи

Металлическая заготовка с размерами и свойствами, соответствующими исходным данным предыдущего примера, нагревается по графику, показанному в таблице. Определить изменение во времени температуры и напряжений в заготовке, используя одновременно трехмерный стационарный тепловой анализ и анализ напряженно-деформированного состояния. Боковые поверхности адиабатические. Начальная температура – 20 ⁰С.

Таблица 2.1

Режим нагрева заготовки

Время от начала нагрева, с	300	600	1200	1800
Температура верхней поверхности, 0С	300	700	950	1100
Температура нижней поверхности, 0С	50	300	600	900

Порядок решения

Выполнить действия, описанные в пунктах 1–6 примера
из параграфа 2.4.1.

1. Задание граничных условий. Для верхней поверхности

MAIN MENU → SOLUTION → DEFINE LOADS → APPLY → THERMAL → TEMPERATURE → On Areas.

Появилось меню «Apply TEMP on Areas». В графическом окне щелчком по середине (центру тяжести) поверхности выделить верхнюю плоскость → OK.

Появилось новое меню «Apply TEMP on Areas». Задать Lab2 = TEMP;«Apply as» – NEW Table → OK. В новом меню: «Name of new table» – TEMPOV1 → OK. Следующее меню: в таблице задать I, J, K = 4, 1, 1 → OK. Меню «Table Array» – заполнить таблицу в соответствии с таблицей из исходных данных (пояснения к заполнению таблицы делались в примерах решения задач нестационарного теплообмена).

Аналогично задаются граничные условия на нижней поверхности. Отличия в том, что выделяется не верхняя, а нижняя поверхность, имя таблицы задано TEMPOV 2, значения температуры поверхности взяты из нижней строки таблицы исходных данных.

Повторить действия пункта 7 примера из пункта 2.4.1, относящиеся к ограничению перемещений заготовки.

 

2. Задание параметров расчета

MAIN MENU → SOLUTION → LOAD STEP OPTS → TIME / FREQUENCY → Time - Time Step → В меню вводится: TIME = 1800 (в верхнее окно вводится общее время нагрева пластины); КВС = ramped; DELTIM = 60 (шаг по времени для расчета полей параметров); «Minimum time step size» = 30; AUTOTS = Prog Chosen (шаг по времени выбирает ANSYS).

– MAIN MENU → SOLUTION → LOAD STEP OPTS → OUTPUT CTRLS → DB / Results File → В поле FREQ задать every substep (записывать результаты каждого шага).

 

3. Запускается решение задачи.

MAIN MENU → SOLUTION → SOLVE → CURRENT LS → ( Просмотр информации   file → close) → OK. Продолжительность вычислений многократно возросла по сравнению со всеми предыдущими примерами.

Рис. 2.13. Изображение на экране

→ close. Ход вычислительного процесса отображает рис. 2.13.

 

4. Просмотр и фиксация результатов расчета.

 – Изображение в виде изолиний полей температуры в конце нагрева

MAIN MENU → GENERAL POSTPROC → PLOT RESULTS → CONTOUR PLOT → NODAL SOLU → DOF SOLUTION, Temperature TEMP → OK.

Изображение показано на рис. 2.14.

 

Рис. 2.14. Изолинии температуры в металле

 

– Изображение полей напряжений в виде изолиний в конце нагрева.

MAIN MENU → GENERAL POSTPROC → PLOT RESULTS → CONTOUR PLOT → NODAL SOLU → Stress → von Mises stress → OK.

Изображение показано на рис. 2.15.

 

Рис. 2.15. Поля напряжений в заготовке

 

– Одновременное изображение деформированного и недеформированного состояния модели в конце нагрева.

MAIN MENU → GENERAL POSTPROC → PLOT RESULTS → Deformed Shape → Def + NODAL SOLU → OK.

 

Рис. 2.16. Анализ процесса деформации

 

Полученное в результате изображение (рис. 2.16) указывает на деформацию из-за теплового расширения заготовки.

 

Рис. 2.17. Отображение изолиний во времени

 

– Способы отображения результатов расчета, меняющихся во времени, рассмотрены в примерах нестационарного теплообмена и в примере «Моделирование теплообмена при изменении толщины слоя окалины».

 

Рис. 2.18. Отображение напряжений во времени

 

– Возможности отображения результатов во времени показывает рис. 2.17, на котором показаны изолинии температуры в момент времени 360 с от начала нагрева. Рисунок получен командами

MAIN MENU → GENERAL POSTPROC → RESULTS VIEWER →

В меню выбрать окно «Choose a result item». Далее

NODAL SOLU → DOF SOLUTION → NODAL Temperature →

Передвинуть бегунок в положение, соответствующее выбранному времени (в данном случае 360 с). Щелчок по кнопке «Plot Results». Аналогично получено соответствующее выбранному времени изображение поля напряжений (рис. 2.18).