CN105760639B - 一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法 - Google Patents

一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法 Download PDF

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Abstract

一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法，包括以下步骤：建立密闭工作容器的模型；划分网格；去除容器中的液体，在密闭工作容器内表面施加均匀的法向压强；利用有限元求解得内表面上节点变形前、后的节点坐标；构造封闭的密闭工作容器的内表面并生成内表面实体模型，得到等效液体变形前、后的体积；计算液体积增量百分比，得到此时液体的温度；按有限元分析后处理方法，得到该温度下密闭工作容器各处的应力；依次对密闭工作容器内表面施加不同压强，重复上述步骤可以得到液体温度上升到不同值时的应力。对密闭工作容器进行应力分析以确定密闭工作容器各处的应力，最终确定密闭工作容器容易失效的位置，从而为结构修改提供依据。

Description

一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法
技术领域
本发明涉及一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法，属于应力分析技术领域。
背景技术
有限元分析是一种现代计算方法，它采用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，利用简单而又相互作用的元素，以有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。利用有限元分析对结构件进行详细的力学分析，可以获得构件在实际使用状态下尽可能真实的受力分析，从而可以在设计阶段对可能出现的各种问题进行安全评判，并进行相应的设计参数修改。
传统的流固耦合应力分析方法，流体区域的网格随固体边界的运动而动态更新，网格运算和网格质量控制过程异常复杂。为此，本发明提出了等效应力分析方法，提高网格划分质量，分析密闭容器热膨胀应力简单、有效。
发明内容
本发明的内容是提出一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法，对密闭工作容器进行应力分析以确定密闭工作容器各处的应力，最终确定密闭工作容器容易失效的位置，从而为结构修改提供依据。
为实现上述目的，本发明提供一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1建立密闭工作容器的三维模型；
S2划分网格；将简化后的密闭工作容器三维模型导入到有限元分析软件中，进行网格的划分，然后导出密闭工作容器内表面上所有节点的坐标；
S3去除密闭工作容器中的液体，在密闭工作容器内表面施加均匀的法向压强来模拟液体与密闭工作容器之间的相互作用；
S4在密闭工作容器内表面施加压强P1，利用有限元求解后导出内表面上所有节点的位移并叠加到变形前的内表面节点坐标上，从而得到内表面上节点变形后的节点坐标；
S5根据变形前的节点坐标和变形后的节点坐标，在软件中构造密闭工作容器的内表面并生成内表面实体模型，密闭工作容器内表面实体模型的体积等效为液体的体积，对内表面实体模型变形前和变形后的体积进行计算得到等效液体变形前的体积V0和变形后的体积V1；
S6将V0、V1、P1和K的值代入下式，得到液体热膨胀在不受约束情况下的体积增量百分比每个温度都对有与之相对应的液体体积增量百分比所以根据得此时的液体温度T1，
式中K为液体体积弹性模量，单位为Pa，体积弹性模量在不同温度下变化不大，视为固定值；
S7按有限元分析后处理方法，得到密闭工作容器各处的应力，即液体温度上升到T1时的应力；
S8依次对密闭工作容器内表面施加压强P2、P3、…、Pn，每次重复步骤S3～S7，即得到液体温度上升到不同值时的应力。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明适用于任何密闭工作容器由工作液热膨胀引起的应力分析，同时该方法也适用于密闭工作液热膨胀引起的电池冷却箱应力分析。
(2)本发明分析液体热膨胀引起的密闭工作容器应力较流固耦合热膨胀应力分析简单、实用，能够缩短修改结构的周期，降低研发的成本。
附图说明
图1为本发明中一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法的实现流程图
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
S1建立密闭工作容器的三维模型。
S2划分网格。将简化后的密闭工作容器三维模型导入到有限元分析软件中，进行网格的划分，然后导出密闭工作容器内表面上所有节点的坐标。
S3去除密闭工作容器中的液体，在密闭工作容器内表面施加均匀的法向压强来模拟液体与密闭工作容器之间的相互作用。
S4在密闭工作容器内表面依次施加0Mpa、0.2Mpa、0.4Mpa、0.6Mpa、0.8Mpa、1.0Mpa的压强，利用有限元求解后导出内表面上所有节点的位移并叠加到变形前的内表面节点坐标上，从而得到内表面上节点变形后的节点坐标。
S5根据变形前的节点坐标和变形后的节点坐标，在软件中构造密闭工作容器的内表面并生成内表面实体模型，密闭工作容器内表面实体模型的体积可等效为液体的体积，对内表面实体模型变形前和变形后的体积进行计算可得到等效液体变形前的体积2269897mm3和变形后的体积2275160mm3、2280373mm3、2285896mm3、2290604mm3、2295397mm3。
S6工作液在不受约束的情况下，设20℃时体积为V0，即液体变形前的体积2269897mm3，若温度增加到T时，液体体积相对20℃的体积增量百分比每个温度都对有与之相对应的液体体积增量百分比将V0、V1、P1和K的值带入下式，得到液体热膨胀在不受约束情况下的体积增量百分比所以根据可得此时的液体温度T1。
式中K为液体体积弹性模量，单位为Pa，体积弹性模量在不同温度下变化不大，可视为固定值。因此，可以得到不同压力下冷却液温度为20℃、26℃、31℃、35℃、40℃、44℃。
S7按有限元分析一般后处理方法，得到密闭工作容器各处的应力，不同温度下易失效位置的最大应力分别为0Mpa、422Mpa、835Mpa、1263Mpa、1655Mpa、2060Mpa，根据密闭容器的材料可以得到其抗拉强度，由此可判断液体温度达到多少时密闭容器容易发生局部断裂，最终为密闭容器的结构设计和修改提供依据。本专利所采用的一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法得到的结果与一般流固耦合的热膨胀应力分析相比，误差在2％以内；但其在整个分析过程中能够节省30％的时间，能够缩短修改结构的周期，降低结构设计和修改的成本。

Claims (1)

1.一种液体热膨胀引起的密闭工作容器应力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1建立密闭工作容器的三维模型；
S2划分网格；将简化后的密闭工作容器三维模型导入到有限元分析软件中，进行网格的划分，然后导出密闭工作容器内表面上所有节点的坐标；
S3去除密闭工作容器中的液体，在密闭工作容器内表面施加均匀的法向压强来模拟液体与密闭工作容器之间的相互作用；
S4在密闭工作容器内表面施加压强P1，利用有限元求解后导出内表面上所有节点的位移并叠加到变形前的内表面节点坐标上，从而得到内表面上节点变形后的节点坐标；
S5根据变形前的节点坐标和变形后的节点坐标，在软件中构造密闭工作容器的内表面并生成内表面实体模型，密闭工作容器内表面实体模型的体积等效为液体的体积，对内表面实体模型变形前和变形后的体积进行计算得到等效液体变形前的体积V0和变形后的体积V1；
S6将V0、V1、P1和K的值代入下式，得到液体热膨胀在不受约束情况下的体积增量百分比每个温度都对有与之相对应的液体体积增量百分比所以根据得此时的液体温度T1，
式中K为液体体积弹性模量，单位为Pa，体积弹性模量在不同温度下变化不大，视为固定值；
S7按有限元分析后处理方法，得到密闭工作容器各处的应力，即液体温度上升到T1时的应力；
S8依次对密闭工作容器内表面施加压强P2、P3、…、Pn，每次重复步骤S3～S7，即得到液体温度上升到不同值时的应力。
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