案例29-火箭喷管延伸模拟-运行

这是模拟火箭喷管的两个示例问题中的第二个：

• 第一个例子，火箭喷嘴延伸模拟：制造，演示了如何模拟喷嘴制造阶段的热应力。

• 下面的第二个示例问题演示了如何模拟火箭喷嘴运行期间产生的热应力。

虽然两个示例都基于相同的几何图形，但使用的假设不同，因此导致不同的网格和不同的单元类型。

对于这个问题，假设火箭已经发射，热气体正在流经喷嘴，使喷嘴体内外受到对流热负荷。热载荷导致体沿厚度方向出现明显的热梯度，表现为高热应力。

固体热和结构单元准确地模拟了问题的多物理特性。虽然完全耦合的单元可以解决该问题，但使用松耦合方法代替。由于主体材料可以是均质或分层复合材料，因此模拟需要具有均质和分层材料能力的实体单元类型。

介绍

壳单元模型在大多数区域给出了精确的应力；然而，贯穿厚度的应力并不精确，尤其是在加强件与喷嘴体连接的情况下。固体单元用于此分析，以提高贯穿厚度应力的精度。因此，这个问题证明了固体层状热单元（SOLID279）的一些特征。这个示例问题的几何图形已经被划分网格并存储在cdb文件中。

对于本例，假设材料行为为正交各向异性（结构和热均是）。因此，重要的是沿单元内的某些正交方向定义材料特性。这强调了在每个单元中定义单元坐标系的必要性。

尽管有一个很好的理由来定义独立于底层单元的材料方向，但这目前受到现有技术的限制。

所有单元都有默认的单元坐标系，但这些默认坐标系并不总是方便的。材质方向可能与单元坐标系（ESYS）不对齐，因此可能需要修改它们。通常可以通过以下步骤完成此操作：

1. 定义单元坐标系-由于曲率快速变化，此模型中的每个单元都必须定义自己的单元坐标系。（考虑对给定的砖网格使用LOCAL和EMODIF命令。）因此，单元z轴与厚度方向对齐，并且单元x轴与曲率对齐。这使得沿首选方向定义材料特性非常方便。

2. 调整单元连接性-由于正在使用实体单元，因此必须调整单元连接性，以便IJKL面与图元坐标z轴对齐。这样可以确保层定义与单元的面1（IJKL面法线n）平行，并与ESYS的z轴垂直（请考虑使用EORIENT为具有定义的单元坐标系的任意网格完成此操作。）

对于本示例中提供的模型，这两个步骤都已完成。

热应力可以使用具有完全耦合（强耦合）的TEMP和DISP自由度（DOF）的单元获得。或者，可以先运行热分析，然后运行结构分析（松耦合）来获得应力。这些方法的优点和缺点在这里没有详细说明。相反，本例使用松耦合方法来演示它所提供的灵活性。

在本例中，使用元素SOLID279进行静态热分析，然后使用LDREAD命令转移温度到静态结构分析。对于结构分析，SOLID279转化为SOLID186。对于热分析，假设材料可以是均质的或分层的。对于结构分析也做了类似的假设，因此可以在结构分析中使用均质或分层分析中的温度，如下图所示：

对于热分析，材料可以被视为“均质”，而对于结构分析，材料则可以被视“分层”。可以根据自己的意愿灵活地混合和搭配运行。强耦合的解决方案不会提供这种程度的灵活性和自由度。

问题描述

对完整几何图形的1°扇区进行建模。假设热解和结构解是轴对称的。该示例使用了第一个火箭喷嘴示例问题中使用的相同几何形状；然而，使用具有建模层能力的三维实体单元代替具有轴对称选项的二维壳单元。

使用均质材料选项进行热分析，然后使用4层材料选项进行分析。这些分析的解用作结构分析的载荷（均质和4层材料选项）。将获得总共四种结构解。

为了确保热分析的轴对称解，TEMP沿θ方向（CE命令）被约束为相同。指定轴对称自由度约束以确保轴对称结构分析的解（DSYM）。虽然有许多不同的方法来实现扇形模型的轴对称，但选择这种方法是因为它易于实现。

建模

喷嘴延伸部分由一个主弯曲壁和一个靠近射流排气口的加强环组成，如图29.4所示：

壁和加强环均由分层复合材料制成。该模型对所有层使用单一正交异性材料；然而，材料的取向因层而异。对于热分析和力学分析，假设材料是均匀的。这种简化可以加快计算速度并提供合理的解决方案。

由于模型呈现对称性，因此通过仅对整个喷嘴延伸的单个1°扇区（基础扇区）进行建模，可以实现最佳计算效率。1°扇区的几何模型如图29.5所示：其中（a）是整体几何结构，（b）是加强环的详图。

由于热解表现出温度的循环对称性，因此可以使用CE来实现这一点。CE命令可用于结构循环对称，但在本例中，DSYM命令用于演示在ANSYS中完成任务的不同方法。

简化的1°几何模型采用SOLID279单元进行网格划分。图29.6：环形单元图和图29.7：实心网格的扩展层表示分别显示了网格以及实体网格的层实体表示（/ESHAPE）

使用SOLID279单元，可以使单元表现为均匀材料或层状材料（KEYOPT（3）＝0或1）。壳截面定义复合材料的层。（SECTYPE命令指定截面类型，SECDATA命令指定每层的材料、厚度、材料方向和积分点数。）将创建两个截面：一个用于主璧，另一个用于加强圈。下表总结了外壳部分属性：

假设加强环牢固地连接到主延伸壁的外表面。

安全绑定很容易模拟（CE/CP命令）。

材料属性

火箭喷管延伸模型中使用的单一正交异性材料的特性如下：

假定材料具有线性弹性且与温度无关。该材料在平面内（X和Y）和厚度（Z）方向上具有不同的热膨胀系数。

边界条件和加载

对于热模型，使用了四种边界条件（见图29.8）：

• 夹紧端规定的温度

• 模型不同区域的三种不同膜对流边界条件

• 将加强筋粘结到喷嘴体的约束方程

• 强制循环对称的约束方程

真实的热模型可能具有从经验相关性导出的膜系数。

为简单起见，此处使用常量值。可以指定热通量边界条件而不是对流边界条件。

除了上述边界条件外，热载荷还应用于结构模型（LDREAD）。这实现了松耦合，如介绍中所述。

对于结构分析，其他被忽略的机械载荷可能是主动的（如气体流动引起的压力和剪切应力）。真实的模拟将考虑所有可能导致压力的负荷。

分析和求解控制

使用均匀和分层选项（2种不同的模型选项）对热模型进行线性静态分析。

随后，使用均匀和分层选项（4种不同的分析）对结构模型进行线性静态分析。如引言所述，当使用松耦合方法时，温度必须从前两次分析转移到后四次分析（LDREAD）。

结果和讨论

对于使用分层选项的热分析，加强环的结果如以下三张图所示。重要的是要注意每个层中的分层分析解。例如，峰值TEMP梯度可能出现在层2中，而峰值Von Mises应力可能出现在第3层中。

对具有层的单元进行后处理时需要考虑的另一个复杂问题是，虽然可以使用常规的后处理命令，但结果将基于角节点值，并且每个层中的值将被忽略。例如，PLNSOL，TEMP命令将基于单元的8个节点创建等高线图，但它不会显示4个层内的温度如何变化。要逐层后处理，请激活每个单独的层，然后发出相关的后处理命令。

加强环第3层的TEMP如图29.13所示。可以通过在/POST1中发出以下命令来生成：

也可以将层TEMP强制加到单元的8个角节点上，然后绘制单元解的轮廓（layer）。这样可以确保绘制的单元解是图中的实际层解。

要查看层热通量和温度梯度，请在layer命令之后发出PLESOL命令。

默认情况下，层值为0。这意味着后处理的数量是顶层的顶部和底层的底部。

下图显示了加强环四种分析的位移解。这些都是基于节点的绘图。在所有情况下，最大位移发生在加强环与喷嘴体结合的位置。

分层情况下的位移解变化不大。因此，对分层力学问题使用均匀或分层热载荷似乎没有显著影响。对于均质情况的位移解也可以得出类似的结论；然而，同样的结论可能对应力无效。不要根据这个模型得出一般结论；相反，根据每个模型的载荷条件和假设来分析。

图29.18显示了第1层的等效应力。该图显示，应力不会如预期的那样在第1层粘结区域附近达到峰值。这降低了逐层而不是逐单元分析解的需要。考虑改变环的形状、材料、层数或层方向，以将峰值应力转移到可接受的水平。

当绘制层2、3和4中的等效应力时，峰值应力的位置明显偏移。这强调了需要仔细研究每一层，避免对其他层立即得出结论。例如，层4中的峰值应力转移到粘结区域，而这不能仅从第1层解预测。

建议

要执行类似类型的分析，请考虑以下提示和建议：

• 考虑在网格的粘合区域附近以及高曲率区域附近细化网格。该建议基于所有层的观察峰值应力区域。

• 默认情况下，所有图层信息都写入结果文件。对于大型网格，明智的做法是选择适当的KEYOPT（8）设置，以使SOLID279或SOLID186单元的分层选项的存储需求最小化。减小文件大小的缺点是无法对各个层进行后处理。你需要决定什么适合你的分析。

• 对于尚未扫掠的网格，很难看到单元坐标系z轴是否垂直于分层实体SOLID278/SOLID279或SOLID185/SOLID186单元的IJKL面。考虑使用EORIENT命令来完成此操作。介绍中强调了这一点。在执行分层分析时，还要记住以下几点：

–各层必须平行于IJKL面。

–单元坐标系z轴也必须垂直于IJKL面（面1）。

• 对于复杂材料纤维，可以方便地将单元坐标系轴与纤维方向对齐。在这种情况下，请考虑使用LOCAL和EMODIF、ALL、ESYS命令的组合为每个单元定义一个唯一的单元坐标系，如介绍中所述。在下面的图29.19中，只需要一个LOCAL命令。在下面的图29.20中，每个单元必须具有不同的单元坐标系，这意味着多个LOCAL命令。