Расчет термонагруженного состояния пластины
Цель: Произвести связанную тепловую и прочностную задачу для конструкции неоднородной биметаллической пластины (из двух материалов: стали и алюминия).
Тип анализа: Связанный тепловой и прочностной расчет для неоднородной конструкции.
Тип КЭ: Двумерный твердотельный (Thermal Solid).
Тип граничных условий: Присвоение температуры узлам сетки.
Возможности: Наложение температурного поля в прочностном анализе как нагружения.
Ход работы
4.1 Подготовка модели к анализу
Первым шагом являлось определение типа анализа (тепловой расчет) и единицы измерения температуры – градусы Цельсия.
Конечным элементом задали четырёхузловой твёрдотельный элемент Plane55.
Определили свойства материала. Т.к. наша модель состояла из двух разнородных металлов – стали и алюминия – необходимо задать параметры для обоих из них.
Первыми задали свойства для стали.
Favorites → Linear Static → Linear Isotropic… - где в соответствующих окнах задали модуль Юнга 2105, коэффициент Пуассона 0,3. Плотность задали характерную для сталей 7800 кг/м3, также указали коэффициент теплового расширения равный 1010-6 м/С.
Т.к. задача сочетает в себе прочностной анализ с температурным, необходимо также задать для материала теплоёмкость и теплопроводность.
Для этого задаём теплопроводность 30 Вт/м в разделе:
Favorites → Linear Static → Thermal Expansion (secant –iso)…
Thermal → Conductivity → Isotropic…
И теплоёмкость С=100 в разделе:
Thermal → Specific Heat…
Аналогично задали свойства второго материала, создав вторую материал-модель. Свойства алюминия: модуль Юнга = 1,69Е10, коэффициент Пуассона 0,25, плотность 2780 кг/м3, коэффициент теплового расширения 1Е-6, теплопроводность 40 Вт/м и теплоемкость 80.
4.2 Построение модели
Моделью для данного расчета послужила прямоугольная пластина со сторонами 200х40 мм. В данном прямоугольнике мы построили точки, через которые проходит отрезок, делящий всю пластину пополам на две площади. Это сделано для того, чтобы поделить зоны из разных материалов. Каждой из зон мы присваиваем свой материал. Верхняя зона – сталь, нижняя – алюминий. Для этого указываем порядковые номера материалов при задании атрибутов разбивки модели на КЭ.
Рисунок 4.1 – Эскиз пластины из двух разнородных материалов
Разбиваем модель на КЭ, задав размер КЭ 0.01 м.
Рисунок 4.2 – Модель пластины с сеткой КЭ
4.3 Задание граничных условий для теплового расчета.
Сначала определяем температуру линии BD (рис. 4.1) по параметру All DOF и со значением 20 градусов Цельсия:
Main Menu → Solution → Define Loads → Apply → Thermal →
→ Temperature → On lines…
Аналогично задаем температуру линии АС (40°С).
4.4 Расчет модели и результаты
Запустили расчет по текущим установкам. Переключили расчет на прочностной анализ, используя результаты теплового:
Main Menu → Preprocessor → Element Type → Switch Elem Type →
→ Thermal to Structural → OK.
Тип анализа поменяли на Thermal+Structural.
Использовали результаты теплового анализа:
Main Menu → Solution → Define Loads → Apply → Structural →
→ Temperature → From Therm Analy…
Здесь необходимо было выбрать файл формата *.rth, который является рабочим файлом. Выбор производится путем поиска файла в нужной директории.
Далее задали нулевое перемещение модели по линии АВ. По всем направлениям.
Провели расчет по текущим настройкам.
Результаты расчет отобразили в виде градиентного изображения пластины. Также рассмотрели нагруженное состояние пластины с анимированным отображением деформации.
Рисунок 4.3 – Суммарное смещение биметаллической пластины под действием нагрева
Рисунок 4.4 – Нагруженно-деформированное состояние биметаллической пластины
Вывод: В ходе практической работы ознакомились с возможность проводить тепловой анализ в связке с прочностным. В качестве модели для анализа была взята биметаллическая пластина, состоящая из двух разнородных материалов – стали и алюминия. Результаты расчетов были представлены в виде градиентных изображений деформации. Итогом расчета послужили значения максимального прогиба пластины Δymax=169Е-4 м и максимального напряжения σmax=230Е+7 Па.
Практическая работа №7