基于多物理场的管道强度与模态分析(二)异径管的热力耦合分析
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由于结构几何形状的不规则，使得异径管的应力分布极不均匀，而当热流介质通过异径管时，温度的变化又加剧了这种不均匀性。本文利用ADINA软件中的热力耦合求解器对异径管内通过热流介质时的力学性能进行了分析，讨论了温度变化对管道力学的影响。
一、引 言
异径管内部为热流介质时，由于压力和温度的耦合作用，使得管道的应力分布极不均匀，对管道的强度产生较大影响，同时由于温度的变化也使得管道的材料性能发生了变化，因而热力耦合分析对异径管的结构设计及安全评价具有重要意义。本文利用ADINA软件中的热力耦合求解器对异径管内通过热流介质时的力学性能进行了分析，讨论了温度变化对管道力学的影响。
二、有限元模型
异径管的几何模型如图1所示，以 φ89mm/ φ45mm×89mm×5mm（大端外径 d1/小端外径 d2×长度 l×壁厚h）为例，直管段长度 l1、l2均为100mm。由于结构的对称性，取1/2模型进行研究。管道材料为Q345，泊松比为0.3，密度为7 800kg/m 3，其余热物理参数如表所示。
在热力耦合计算中，分别建立结构模型和热分析模型，再把两个模型放在热力耦合求解器中进行求解。首先在CAD软件中建立如图1所示的管道二维模型，并将其保存为*.igs文件，再将其导入到有限元软件中的“Structures”模块，选用 YZ平面。利用生成体中的“Revolve”功能将管道二维平面旋转180°生成三维几何实体。定义材料参数如图2所示，将表1中各温度对应的参数依次输入。在管道的内表面施加均布载荷15MPa，以模拟介质压力，设置过程如图3所示。采用8节点六面体单元对模型进行网格划分，划分后的有限元计算模型如图4所示，设定初始温度为20℃。将建立好的结构分析文件保存。
选用“Thermal”分析模块，在结构模型的基础上，通过“CopeF.E.Model”命令将结构模块中的有限元模型复制到热分析模块，选用瞬态分析类型，初始温度设为20℃，选用自动时间步长。定义三维热传导单元的材料属性如图5所示，其中热传导率为48W/m・℃，比热为450J/（kg・℃）。
定义材料的对流换热系数为20W/（m 2・℃），并将管道的外表面采用4节点单元进行网格划分。定义对流载荷，环境温度为20℃，并将其加载于管道外表面，如图6所示。对管道的内表面施加温度载荷，以模拟介质的实际温度。管道的热分析模型如图7所示，并将其保存。
三、计算结果分析
将建立的结构分析模型和热分析模型同时在热力耦合求解器中进行求解，模拟了介质温度为50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和无耦合作用6种工况，计算后的异径管等效应力云图如图8所示。
由图8可知，不同温度下的异径管等效应力分布和应力值各不相同；当介质温度低于150℃时，异径管的最大等效应力出现在大管径段的内壁面，同一轴向位置的内壁面应力大于外壁面；当介质温度高于150℃时，异径管的最大等效应力出现在大管径段的外壁面，同一轴向位置的外壁面应力大于内壁面；随着温度的增长，异径管段的高应力区域也逐渐由内壁面转移到了外壁面。主要是由于管道内外温差越大，管道的内外壁面变形越不协调，出现了应力转移。
图9为介质温度为150℃时，异径管的温度云图。沿着壁厚方向，温度逐渐递减，管道的内壁与介质温度相同。
图10为不同工况下管道的内壁等效应力变化曲线，由图可知，当不考虑温度对管道的影响时，管道内壁的等效应力最大；考虑热力耦合作用时，随着介质温度的升高，管道内壁的等效应力逐渐降低，但降低的幅度呈非线性规律变化，这与温度对材料性能的影响有关；温度越高，整个轴向的等效应力分布越不均匀，特别是异径管大端处的应力变化越剧烈，小管径的末端出现了等效应力波谷。
图11为不同工况下管道的外壁等效应力变化曲线，由图可知，当不考虑温度对管道的影响时，管道内壁的等效应力最小；考虑热力耦合作用时，随着介质温度的升高，管道外壁的等效应力逐渐增大，其变化幅值仍为非线性规律；但是介质温度的变化对异径管大端和小端处的应力波动影响较小；在小管径末端的外壁等效应力随着温度的升高而逐渐增大。
图12为不同工况下管道的内壁轴向应力变化曲线，由图可知，在异径管大端处存在轴向应力峰值，异径管段的轴向应力沿轴向逐渐降低；随着介质温度的升高，管道内壁的轴向应力逐渐降低，但异径管大端和小端处的应力波动变化较小；温度越高，小管径末端的轴向应力沿轴向呈上升趋势。
图13为不同工况下管道的外壁轴向应力变化曲线。随着介质温度的升高，管道外壁的轴向应力逐渐增大；在异径管大端处的轴向应力出现了波谷现象，但温度对该波谷幅值的影响较小；在小管径末端的轴向应力逐渐趋于接近。
四、结语
对内部为高温介质的异径管进行了热力耦合计算，分析了其热应力分布及介质温度对其的影响规律。结果发现，随着介质温度升高，管道的高应力区域逐渐由管道内壁转移到管道外壁。温度越高，管道内壁的热应力越小，而管道外壁的热应力却越大。
（未完待续）