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ansys考核作业

Ansys结课考核作业

导弹发动机药柱承受温度和内压载荷数值模拟

姓名：

吕创能

流水号：

s2*******

学号：

s1*******

专业：

车辆工程

日期：

2014-5-20

导弹发动机药柱承受温度和内压载荷数值模拟

问题描述：

药柱的模型如下图，尺寸如图1所示，单位为mm，假设药柱总长1m。

药柱在固化冷却到低温实验时，由于药柱的冷却收缩将使得药柱内部产生残余热应力；同时导弹工作时，药柱的星形内腔将承受压强载荷的作用，因此需要分析药柱在工作过程中的结构完整性，研究确定其受力薄弱的地方。

假设药柱为各向同性的弹性材料，设弹性模量为3.5e+6MPa,泊松比为0.499，热膨胀系数为0.652e-6/℃。

图1

最大圆的直径是386mm，星形内腔的圆半径是50mm，星形内腔的长度是238mm，星形内腔的宽是25mm，倒角都是半径为7.5的圆角。

第一部分：

建立实体模型

1、自底向上建立药柱模型

由于药柱的模型在横向上的剖面都一样，所以可以采用先建立横向的平面模型再拉伸得到。

平面模型根据对称性可以先建立模型的1/16，然后通过镜像和复制得到。

第一步：

定义截面上的关键点

GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>create>keypoints>inactiveCS,然后再弹出来的对话框中一次输入关键点1（0,0.193,0），关键点2（0,0.119,0），关键点3（0,0.050,0），关键点4（0,0.0125,0.119），关键点5（00125,0,0）。

再转换激活的坐标系为柱坐标系，然后用同样的方法再创建关键点6（0.197,67.5,0）,关键点7（0.050,67.5,0）,然后再回到笛卡尔坐标系。

创建的点，如图2

图2

第二步：

由关键点创建线

GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>create>lines>lines>inactiveCoord，

然后再屏幕上分别单击关键点1和2，连成线1，依次将关键点2和4,4和5,6和7连成线。

下一步是创建圆弧，可以采用笛卡尔坐标系中的创建圆弧的命令：

mainmenu>preprocessor>modeling>create>lines>arcs，这里可以采用在柱坐标系中创建线，即圆弧。

因此将坐标系由笛卡尔坐标系转换成柱坐标系，然后依次连接关键点6和1、关键点3和7，然后再把坐标系还原为笛卡尔坐标系。

然后执行下面的操作显示点和线的序号：

plotctrls>numbering。

图3

下面需要将多余的线删除，以及部分地方创建圆角。

这里不能使用之前学习的删除线的方法，那样会直接把整条线都删除掉，我们这里只需要删除一些线的部分，所以这里先做搭接处理，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>operate>booleans>overlap>lines，分别选择线3和线6，单击OK，这时可以发现志气啊的线3和线6经过搭接操作之后变成了线7，8，9，10，然后直接删除线7和9就得到想要的图形，如图4

图4

接下来对线2和线8，以及线8和线10进行倒圆角的操作，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>create>lines>linefillet。

单击线2和8，在弹出的窗口中输入半径0.0075，如图5所示。

图5

用同样的操作对在线8和线10之间倒一个同样半径的圆角，这样药柱的横截面的边界图形就形成了，如图6所示

图6倒角

第三步：

由线创建面。

目前得到的图形仅仅只是由线构成的，需要对这些线进行生成面的操作，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>create>areas>arbitrary>bylines，在弹出的对话框中选中loop选项，再任意选择一条线，ansys将自动选择该线所在的一条封闭环，单击OK即生成了一个面，如图7所示。

图7由线生成面

第四步：

由面创建体。

该药柱可以通过横截面拉伸得到，这里是沿着Z轴拉伸，所以拉伸的GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>operate>extrude>areas>byXYZoffset，在弹出的对话框中选择面1，单击OK，然后再在继续弹出的对话框中在第一排的三个格子中分别填上0、0、1，表示在X，Y轴方向偏移0，在Z轴方向上偏移1，单击OK，即生成一个体。

此药柱的1/16模型就生成了，如图8所示。

图8拉伸成体

第五步：

生成全药柱模型。

这里首先做一个镜像操作，使这个1/16的模型变成1/8的模型，然后再做复制操作，得到一个完整的药柱模型。

首先做镜像操作，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>reflect>volumes，选择刚刚生成的1/16模型，单击OK，然后在弹出的对话框中将镜像面设置成Y-Z平面，然后单击OK，生成1/8模型，如图9所示。

然后再将生成的这两个体做复制操作，因为是沿着周向均布分成8个，所以需要重新转换为柱坐标系，再作复制操作。

复制的GUI操作：

mainmenu>preprocessor>modeling>copy>volumes,选择图中的两个体，单击OK，然后在弹出来的对话框中设置，沿环向偏移45º角均布8个，单击OK，最终生成了全药柱模型，如图10所示。

图9

图10

第二部分：

导弹发动机药柱模型网格划分

首先设定单元属性，由于该问题是药柱受温度和内压载荷作用下的机构分析，所以这里采用比较简单的Solid185单元，该单元是8节点且具有3个位移自由度的六面体单元。

GUI操作：

mainmenu>preprocessor>elementtype>Add/edit/delete,在弹出的对话框中如图11设置，单击OK，即添加了Solid185单元。

图11单元设置

接下来设置材料属性，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>materialprops>materialmodel,在弹出的如图12的对话框中的地方设置材料的线弹性属性，在弹出的对话框中如图13设置药柱材料的线弹性参数。

图12材料属性设置

图13线弹性材料参数输入

其中EX代表弹性模量，PRXY代表泊松比。

除此之外还要设定材料的热膨胀系数，如图14，进入热膨胀系数设置，在弹出的图15中，将参考温度设为58度，热膨胀系数设为0.652e-4,单击OK完成材料属性设置。

图14热膨胀系数设置

图15热膨胀系数输入

由于该模型只有药柱一种材料，所以也只采用一种单元，接下来划分网格，这里为了便于计算，先把网格划分的粗一些，这里采用的是只能网格划分的方法划分网格。

GUI操作：

mainmenu>preprocessor>meshing>meshtool,如图16，在弹出的对话框中选中Smartsize,默认的为6，程序会自动的设置一系列独立的控制值来生成想要的网格大小，初步划分出网格，如图17。

图16Smartsize设置

图17分网后的模型

智能分网系统会根据模型的尺寸自己设置网格的大小，并在局部区域加密，所以智能程度较高，但是往往不好控制网格的分布大小，划分不出自己需要的网格。

第三部分：

施加载荷

药柱模型在受到温度载荷之外，在点火过程中承受的内压载荷。

第一步：

设定分析类型，GUI操作：

mainmenu>preprocessor>loads>analysistype>newanalysis,由于该问题是做瞬态分析，所以在弹出的对话框中选择Transient。

第二步：

施加约束条件，①首先施加外表面的位移约束，GUI操作：

mainmenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>onareas,然后选择药柱外表面，在弹出的对话框中约束掉所有的位移。

如图18所示。

图18外表面位移约束

②两端面位移约束。

同上操作，将两端面的轴向位移（UZ）约束掉。

③对称面约束。

GUI操作：

mainmenu>solution>defineloads>apply>structural>displacement>symmetryB.C.>onareas,然后选择药柱的两个对称面，单击OK完成对称约束设置。

第三步：

施加温度载荷。

因为是多载荷步，所以施加完之后需要将该载荷步保存。

将该载荷步的约束时间设为1e-6,GUI操作：

mainmenu>solution>analysistype>sol’ncontrol,弹出的对话框中在Timeatendofloadstep项中输入1e-6，在numberofsubsteps项中输入1（表示只设定一个子步），如图19所示。

首先将温度的单位定义为摄氏温度，GUI操作：

mainmenu>professor>materialprops>temperatureunits,选择Celsius，如图20所示。

温度载荷为体载荷，由于降温到-40℃，因此药柱会因为冷却收缩在药柱内部产生残余热应力。

施加温度载荷的时候，我们首先需要制定参考温度（零应力温度），GUI操作：

mainmenu>solution>defineloads>setting>referencetemp,在弹出的对话框中输入参考温度58℃，如图21所示。

图19求解控制

图20温度单位设置

图21参考温度输入

施加温度体载荷的GUI操作:

mainmenu>solution>defineloads>apply>structural>temperature>onvolumes,在弹出的对话框中输入温度载荷为常数值-40℃，如图22所示，至此完成温度载荷施加的全部过程。

图22温度载荷输入

然后保存此载荷步。

GUI操作：

mainmenu>professor>loads>loadstepopts>writelsfile,在弹出的对话框中输入1，如图23所示，这是可以发现文件夹中多出了一个grain.01文件，这个文件保存了这一载荷步的信息。

图23写入载荷步

第四步：

施加压强载荷。

根据本问题压强载荷的特点，可以分为3个载荷步加载，分别对应于时间点0.2s、0.3s和1s。

定义0.2s时的载荷步。

在求解控制Basic标签中，在Timeatendofloadstep中输入0.2，在Numberofsubsteps中输入5（子步数）。

在求解控制Transient标签中，选择Rampedloading（坡度载荷）。

施加压强载荷GUI操作:

mainmenu>solution>defineloads>apply>structural>pressure>ononlines,分别选择内腔的几个表面，单击OK，在弹出的对话框中输入压强常数值为17.702MPa,如图24所示。

最后保存问载荷步2。

图24压强载荷输入

同理讲0.3s和1s对应的载荷步分别保存为3、4，子步数分别为2和5。

至此施加载荷已经完全结束，为更洁净实际情况，载荷步四的压强载荷设置为阶跃载荷。

第五步：

控制输出选项。

GUI操作:

mainmenu>solution>loadstepopts>outputctrls>soluprintout，在弹出的对话框中选择everysubstep，表示输出每一子步的结果，如图25所示。

图25输出控制

第四部分：

求解

多载荷步求解，因为之前在施加载荷时已经分别保存了每一个载荷步的信息，所以在进行求解的时候需要将之前的载荷步文件重新读入，GUI操作:

mainmenu>solution>fromlsfiles，在弹出的对话框中，讲lsmin设定为1（起始载荷步），lsmax设定为4（终止载荷步），lsinc设定为1（载荷步递增数），如图26所示，单击OK即可以进行多载荷步文件的求解。

图26载荷步文件设置

第五部分：

后处理

通用后处理器

由于该问题共有四个载荷步，所以对应的分析结果也有多个，这里只取第二个载荷步进行后处理分析，其他载荷步的后处理分析类似。

通用后处理器的GUI操作:

mainmenu>generalpostproc。

第一步：

读入载荷步分析结果。

GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>readresults>byloadstep，弹出的对话框中，如图27所示，在loadstepnumber中填入2（第二个载荷步），单击OK即将第二个载荷步的分析结果读入数据库中。

图27读入指定载荷步的设置

也可以用其他的方式读入载荷步分析结果，GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>readresults>bypick，可以列出结果文件里的所有载荷步，选择指定的载荷步，如图28所示，单击read后，读入的就是指定的载荷步的分析结果。

第二步：

绘制结构变形图。

GUI操作:

utilitymenu>plot>results>deformedshape，弹出如图29所示的对话框，其中defshapeonly表示只显示变形后的图形，def+undeformed表示显示变形后和变形前的图形，def+undefedge表示显示变形后的和变形前的轮廓。

在这里我们选择最后一个，拉爱对比受力前后的结构，单击OK，如图30所示变形前后的变形轮廓。

图28读入指定载荷步的分析结果

图29变形显示设置

图30放大后的变形图

第三步：

设置变形比例放大因子。

对小变形分析，ansys默认的是变形设置是放大后的变形状况，为了得到实际的变形，可以设置变形的比例放大因子，GUI操作:

utilitymenu>plotctrls>style>displacementscaling，弹出如图31所示，选择1.0（truescale）,表示真实的变形显示，如图32所示。

图31变形比例因子设置

图32实际的变形图

第四步：

云图显示结果。

为了更形象的显示整个分析结果，将结果放到柱坐标系显示，GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>optionsforoutp，弹出如图33所示的对话框，将resultcoordsystem设置成globalcylindric（柱坐标系）。

图33结果坐标系设置

节点云图显示GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>plotresults>contourplot>nodalsolu，弹出的对话框如图34，选择nodalsolution>dofsolution>displacement将显示结构总位移图，如图35，也可以设置各个坐标方向的位移图，值得注意的是对该对话框同样可以设置变形放大比例因子。

图34云图显示设置

图35总位移变形云图

第五步：

列表显示结果。

GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>linesresults>nodalsolution，

该操作可以列表显示指定节点的值。

比如要列表显示翼尖倒角处沿线上的节点Vonmises应力，可以按照如下操作来完成：

①选择翼尖倒角的线。

GUI操作:

select>entities，讲弹出的对话框设置如图36所示，单击OK，选择翼尖倒角的线13。

②选择翼尖倒角线上的节点。

GUI操作:

select>entities，将弹出的对话框设置如图37所示，单击OK，这样选择了所有依附于该线上的节点。

图36选择线操作图37选择节点操作

③列表显示节点值。

GUI操作:

mainmenu>generalpostproc>listresults>nodalsolution，在弹出的对话框中选择stress>vonmisesstress，单击OK将得到这些节点的应变结果列表。