考虑材料性能温度效应下厚壁管道温度场和热应力有限元设计和计算(2)
1.2 国内外对热分析问题的研究
1.3主要研究内容
本课题的名称为“考虑材料性能温度效应下厚壁管道温度场和热应力的有限元设计与计算”。本课题是运用有限元法的理论和方法来解决实际的问题。主要运用的软件工具有ANSYS和Compaq visual Fortran。
理论分析：查阅相关的有限元方面的书籍，了解关于温度场与热应力求解方面的有限元理论知识，将相应的公式与理论转换为编程语言，为之后的算法编程做准备。
ANSYS建模：熟悉ANSYS软件，掌握简易模型的构建与处理。用ANSYS建模分析软件构造一个后壁管道的简易平面图即一简易圆环，设置外圆直径为0.5米，内圆直径0.25米。用三角形单元进行模型的离散，提取出离散后的节点编号、单元编号和单元节点号，生成输入文件，在程序中调用这些数据进行计算。之后定义模型的材料属性，施加内环温度温度为20℃外环温度为200℃，生成模型的温度场云图，可以直观的表现出温度在模型上的变化关系。而后设定内边界为固定端，导入温度条件，便可生成模型收热载荷所引起的热应力云图，可以直观的表现出模型上的应力的变化。可将程序产生的结果数据生成的数据图表与相对应的云图进行对比，验证程序结果的正确性，更有助于分析。
FORTRAN语言编译程序：先构建相应的编译流程图，按照流程图的顺序进行的程序的编译。为了避免程序过于冗长使程序编译更加简洁明了，可以构建多个子程序段，每个子程序可以实现单一或多个功能操作，主程序通过调用相应的子程序来实现整体的功能。先进行求解结构温度场的程序的编译，在程序中调用建模生成的数据进行处理与计算。利用子程序计算出总体刚度矩阵K，将各节点的载荷初始为零，形成对应的结构节点载荷列阵P，带入对应节点的温度，进而消除总体刚度矩阵的奇异性。按照高斯消元法来求解线性方程组KT=P，便可计算出结构各节点对应的温度，将结果导出便可得出结构的温度场。接着进行结构在热载荷下的热应力计算，计算得出节点的应变 ，带入总体刚度矩阵K以及等效节点热载荷T，由平衡方程组可得出节点位移δ，将应变 与节点位移δ代入到平面应力的热应力计算公式当中便可求解得出相应的热应力矩阵。将程序中得到的各节点温度和热应力导出生成图形，便可直观的表示结构的温度和热应力变化情况。
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