Abaqus热应力分析和膨胀节应用

本文将用Abaqus Standard演示一个热分析案例。该分析将含有圆柱形壳体的耦合热应力问题（例如工厂中使用的承装高温流体的管道）。该管道将与一个金属伸缩接头连接，这种接头将用于承受管道的热延伸。耦合分析的目的是通过预先设置的场来论证结果值的对应关系。

热和结构域间的耦合计算

Abaqus为分析中的热和结构域间的耦合计算提供了许多建模方法。

通常会使用两种方法：

1） 使用耦合温度-位移元件（SAX2T，S8RT，C3D20RT等），在一次分析中结合热负荷和位移。

2） 在第一次分析中对结构的热负荷建模，然后在随后的应力分析中映射该热负荷（通过节点温度，即NT）。

本文将演示第二种方法，在很多情况下，若考虑不同类型负载的所有影响（轴向压力，环向压力，热负荷等），第一种方法可能更可行。

建模假定条件

1） 模型将包含一个圆柱形壳体结构，一个承装高温流体的管道。对于这种分析，由于管道内外两侧的温度差异，所以只考虑热负荷。管道将被认为具有足够的刚性，在流体压力下不会周向变形（在静态分析只有轴向平移允许的）。

2） 为了经行分析时清晰，使用了圆柱形壳体模型（完整圆柱体）。然而，建议尽可能经常使用轴对称模型（或者具有适当边界条件的单个元件）以减少运行时间。

3） 将考虑稳态热传导分析。

4） 将考虑静力通用分析。

5） 膨胀节和流体管的材料是线性弹性的。在现实生活中，材料不一定相同。每种的应用都有所不同，但每当非金属膨胀节用于低压应用时，通常比其连接部件更加灵活（橡胶类材料）。

6） 压力结果以兆帕（Mpa）为单位给出；位移结果以毫米（mm）为单位给出。

本研究中，将进行两项分析。首先是内部温度为200摄氏度，外部（环境）温度为10摄氏度的管道上的热传导分析。这种温差会导致管道沿周向和轴向膨胀。因此进行应力分析，其中来自于先前的热传导过程的温度将被映射到网格上，以便用于估算由于热负荷所引起的应力和位移。这种分析可以为膨胀节的设计提供参考。

流体管道的几何模型如图1所示。            

图1 流体管道几何模型

热传导分析

对于稳态传导热分析，两个温度边界条件适用于适当自由度下的所有节点。如图2所示。

 图2 热传导边界条件

图3显示了在热传导步结束时所达到的管道温度（10摄氏度）。

图3 传热结束阶段温度状况

静力通用分析

对于静力通用分析，将从热传导分析中提取的节点温度场作为预定义场的输入给出。为了做到这一点，用户必须给予热传导分析odb文件的路径，如图4所示。

图4 温度预定义字场

本例同时显示膨胀节的优势，在静态分析中将包含一个简化的膨胀节模型。连接处的细节和一些术语将在图5中给出。

正如在建模假定条件中提到的那样，管道将只允许沿轴向延伸。流体管道的这种轴向延伸将由膨胀节完成。该膨胀节将在其自由侧（Z-位移= 0）与刚性连接体相连（例如混凝土墙）。

图5 膨胀节及组件细节

静力通用分析的应力结果和组件的轴向位移分别在图6和图7、8中给出。

图6 组件上的应力

图7 组件的轴向位移

图8 组件的轴对称视图切割

结论

本文展示了Abaqus的耦合热应力分析功能。重点是演示Abaqus包含的预定义场选项。当热传导分析和静力通用分析按顺序运行时，预定义场可用于将相关结果映射为第二个分析的输入。

这种技术可以扩展到其他领域（例如结合某些元素的质量扩散来冷却金属部件）。在不同类型的负荷与热负荷一起作用的情况下，使用方法1进行分析可能更实际。

另外，通过改变相关的求解器设置，用户可以进一步指定耦合规则（松散，精密等）。

当运行这些类型的分析并使用壳单元时，最好使用可获得更接近分析解结果的二次壳单元。也可以使用实体单元和连续壳单元，但要使用适当的网格划分规则（例如，在厚度方向上有多个单元）。