【AIFEM案例教程】压力容器热固耦合分析

AIFEM是由天洑自主研发的一款通用的智能结构仿真软件，助力用户解决固体结构相关的静力学、动力学、振动、热力学等实际工程问题，软件提供高效的前后处理工具和高精度的有限元求解器，帮助用户快速、深入地评估结构的力学性能，加速产品的设计迭代。

概 要 

1）案例描述

压力容器为承载一定压力的密闭容器，一旦损坏后果严重。本案例对压力容器热传导工况及温度引起的热应力工况进行分析。

2）几何

某型压力容器下半部分模型如图1-1（a）所示，考虑到对称性，选择取其四分之一模型进行分析，如图1-1（b）。由绿色容器与白色保温层组成，如图1-1（c）。二者间采用tie绑定约束。

图1-1 几何模型

3）材料

绿色区域Steel，白色区域：PP

4）热传导工况

① 分析步：稳态热传导

② 边界条件：面A、F：温度20ºC；面B：温度347ºC

5）热应力工况

① 分析步：静力

② 边界条件：面C：Z轴对称；面D：X轴对称；面E：Uy=0

③ 预定义场：将热传导工况计算得到的温度场施加至整个模型

图1-2 工况示意图

建 模 

1）新建方案

① 启动AIFEM 2023R2；

② 点击创建方案，在新建方案弹窗中，填写文件名《压力容器热分析》，点击保存。

图2-1 AIFEM窗口

图2-2 新建方案

2）几何

① 点击 几何>导入 ，弹出导入几何文件弹窗；

② 在导入几何文件弹窗中，选择几何文件Pressurized_container_1.stp；

③ 选择默认的导入到‘新模型’，模型名称为‘压力容器热分析’，点击导入。

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图2-3 几何导入

① 再次点击几何>导入，弹出导入几何弹窗；

② 在导入几何弹窗中，选择几何文件Pressurized_container_2.step；

③ 选择导入到‘新零件’，将其导入已有模型‘压力容器热分析’下的Pressurized_container_2，点击导入。

④ 点击左侧方案树组件右侧+，在相应弹窗中选择 Pressurized_container_2   添加为组件-2。

   

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图2-4 几何导入

3）网格

① 点击有限元模型>四面体网格，弹出四面体网格弹窗，对第一个零件划分网格；

② 在四面体网格弹窗中，点击对象选择为第一个零件；网格尺寸选择40mm；

③ 点击局部网格细化右侧+按钮，弹出局部网格细化弹窗。

图2-5 网格尺寸设置

① 在局部网格细化弹窗中，选择模型过渡圆角处为对象（两个对称面各有两个圆角，共4个），点击对象右侧的确定；

② 将局部网格尺寸修改为5mm；

③ 点击确定。

④ 回退至四面体网格弹窗，点击确定。

图2-6 局部网格细化

图2-7 网格划分

① 点击有限元模型>四面体网格，弹出四面体网格弹窗，对第二个零件划分网格；

② 在四面体网格弹窗中，点击对象选择第二个零件；网格尺寸选择 40mm；

③ 点击局部网格细化右侧＋按钮，弹出局部网格细化弹窗。

图2-8 网格尺寸设置

① 在局部网格细化弹窗中，选择模型过渡圆角处为对象 （两个对称面各有两个圆角，共 4 个）， 点击对象右侧的确定；

② 将局部网格尺寸修改为5mm；

③ 点击确定。

④ 回退至四面体网格弹窗，点击确定。

图2-9 局部网格细化

图2-10 网格划分

4）材料

① 点击有限元模型>材料库。a.选择系统材料库中steel材料；b.点击’>’将其添加至模型材料库中；

② 类似选择PP材料，将其添加至模型材料库中，点击确定。

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图2-11 材料赋予

     ① 在方案树材料下，点击PP材料右侧修改按钮，打开材料弹窗；

     ② 修改PP材料弹性模量为1MPa，点击确定。

图2-12 材料赋予

5）属性

     ① 点击有限元模型>固体属性，在固体属性弹窗中，a.选择相应steel材料几何为对象，点击右上角确定；b.选择对应的几何赋予steel材料属性；点击确定；（右下可切换显示几何）

    ② 点击有限元模型>固体属性，在固体属性弹窗中，a.选择相应PP材料几何为对象，点击右上角确定；b.选择对应的几何赋予PP 材料属性；点击确定。

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               图2-13固体属性赋予

热传导-分析 

1）分析步

① 点击有限元分析>新增分析，创建一个‘热学分析’，点击继续;

② 弹出热传导分析步弹窗，确认参数后点击确定。

图3-1 分析步创建

2）约束

① 点 击有限元分析>绑定，弹出绑定弹窗；

② 将鼠标悬停至方案树组件-2上，点击右侧出现的按钮，将其隐藏；

③ 在绑定约束弹窗中，主面选择组件-1上，与组件-2的相连面，点击主面右侧的确定按钮。

图3-2  约束主面设置

①  将鼠标悬停至方案树组件-1上，点击右侧出现的 按钮，将其隐藏；

② 点击方案树组件-2右侧按钮，将隐藏的组件-2显示；

③  在绑定约束弹窗中，副面选择组件-2上，与组件-1的相连面。点击右下角确定。

④ 点击方案树组件-1右侧按钮，将隐藏的组件-1显示。

图3-3  约束副面设置

3）边界条件

① 点击有限元分析>边界条件>温度，即可打开温度弹窗；

② 在第1个温度弹窗中，a.选择面A、F为对象，点击右上确定; b.指定温度20ºC 。勾选继续新增，点击确定；

③ 在第2个温度弹窗中，a.选择面B为对象，点击右上确定; b.指定温度347ºC 。取消勾选继续新增，点击确定。

图3-4 边界条件设置

4）求解

① 点击有限元分析>求解，出现求解弹窗；

② 在求解弹窗中，定义输出名称、分析方案及求解模式，点击确定进行求解。

图3-4 求解

热传导-后处理

1）云图查看

① 求解完成后，软件自动导入结果；

② a.在视口区左侧选择NT及其下NT；b.视口区下侧选择相应帧，进行节点温度云图查看。

图4-1 温度云图

热应力-分析

1）分析步

① 点击有限元分析>新增分析，创建一个名称为分析-2的结构分析及相应静力子分析步以用于热应力分析，点击确定。

图5-1 分析步创建

2）约束

① 将鼠标悬停至方案树分析-1的绑定约束-1上，点击右键复制。

② 将鼠标悬停至方案树分析-2的约束上，点击右键粘贴。

图5-2 约束主面设置

3）边界条件

① 点击有限元分析>对称/固定，即可打开对称/固定边界弹窗。

② 在第1个对称/固定弹窗中，a.选择分析-2; b.选择面C为对象；c.选择Z轴对称，勾选继续新增。点击确定。

③ 在第2个对称/固定弹窗中，a.选择分析-2; b.选择面D为对象；c.选择X轴对称，取消勾选继续新增。点击确定。

图5-3 边界条件设置

① 点击有限元分析>位移/旋转，即可打开位移/旋转弹窗；

② 在位移/旋转弹窗中，a.选择分析-2; b.选择面E为对象; c.设置Uy为0。点击确定。

图5-4 边界条件设置

4）载荷

① 点击有限元分析>载荷>温度，弹出温度弹窗。

② 在温度弹窗中，a.选择分析-2; b.选择整个模型为对象（左上 可切换选择对象为体）；c.读取热传导工况的计算结果结果-1作为载荷施加；

③ 点击确定。

图5-5 载荷设置

5）求解

① 点击有限元分析>求解，出现求解弹窗。

② 在求解弹窗中，定义输出名称、分析方案及求解模式，其中分析方案选择表示热应力工况的分析-2，点击确定进行求解。

图5-6  求解

热应力-后处理

1）云图查看

① 求解完成后，软件自动导入结果；

② a.在视口区左侧选择S及其下Mises；b.视口区下侧选择相应帧，c.输入相应变形系数，进行应力云图查看；

③ a.在视口区左侧选择U及其下Magnitude；b.视口区下侧选择相应帧，c.输入相应变形系数，进行位移云图查看。

图6-1  应力云图

图6-2 位移云图

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