一、罐体热传导分析
1 分析概要
随着石油、化工、冶金行业的发展，对于罐体的有限元分析研究不仅局限于线性静力分析和线性动力分析了，热分析的需求越来越强烈。本文将以一个混凝土罐体为例，探讨下如何利用midas FEA NX软件进行罐体热传导分析的模拟方法。
为了更好的说明模拟方法，本文中的例题简化掉了一些细节内容，没有考虑多种保温隔热材料的建模，单纯以混凝土罐体一种材料进行模拟说明。掌握了单一材料的模拟方法，复合材料罐体的模拟也是轻而易举了。
例题罐体的基本尺寸信息如图1所示，壁厚1m，材料为C30混凝土，材料特性参数见表1，底部施加固定约束，罐内温度100℃，罐外环境温度20℃。
图1罐体断面示意图
表1材料特性参数表
材料特性名称 | 材料参数 |
比热（kcal/kg ℃） | 0.25 |
热传导率（kcal/m hr ℃） | 2.3 |
对流系数（kcal/m2 hr ℃） | 12 |
弹性模量（N/mm2） | 2.9*104 |
热膨胀系数 | 1*10-5 |
泊松比 | 0.2 |
2 2D模型or 3D模型
利用midas FEA NX分别建立2D有限元模型和3D有限元模型，2D有限元模型采用平面应变单元模拟，3D有限元模型采用实体单元模拟。2D模拟温度结果云图见图2，3D模拟温度结果云图见图3，通过结果对比可知，无论是罐顶还是罐壁，温度结果基本接近。所以对于罐体的热传导分析可以采用2D模拟方法，建模简单，分析效率高。
图2 2D模型温度结果云图
图3 3D模型温度结果云图
3 网格划分
利用midas FEA NX建立2D有限元模型，网格分别为0.3m和0.1m。网格为0.3m模型温度结果云图见图4，网格为0.1m模型温度结果云图见图5，通过结果对比可知，无论是罐顶还是罐壁，温度结果基本接近。网格为0.1m的模型，在厚度方向上节点数量更多，可以准确得到各点位的精确结果，综合考虑分析效率，建议采用细分网格模型较好。
图4网格为0.3m模型温度结果云图
图5网格为0.1m模型温度结果云图
4 热传导分析流程
4.1建立几何模型
在midas FEA NX中建立几何线框，可以利用DXF文件导入或者直接在midas FEA NX中建立。线框见图6。
菜单：文件>导入>DXF 2D（线框）>
选择AUTO CAD DXF文件>适用
图6断面线框
然后利用建立好的线框生成面，见图7。
菜
单：几何>生成曲面>选择线：依次选择围成曲面的边框线>适用
图7生成面
4.2建立网格模型
首先定义材料特性，如图8所示，各参数参见表1。
菜 单：网格>材料>建立：各向同性>一般&温度>确认
然后定义属性，使用平面应变单元，如图9所示。
菜单：网格>属性>建立：2D>平面应变>材料：1：各向同性>确认
图9定义单元属性
建立罐体断面模型，网格尺寸为0.1m，如图10所示。
菜单：网格> 2D>选择目标：几何平面>尺寸：0.1>确认
图10罐体断面模型
定义边界约束
罐体底部施加固定约束，如图11所示。
菜单：静力/边坡分析>约束>节点：底部节点>固定>确认
图11定义边界约束
4.4施加温度荷载
罐体内部四周施加固定温度100℃，如图12所示。
菜单：静力/边坡分析>固定温度>节点：内部四周节点>温度：100>确认
图12定义固定温度
罐体外部与空气相连的节点施加对流，如图13所示。
菜单：静力/边坡分析>对流>线>类型：2D单元线>选择罐体外三边线>环境温度：根据值：20>对流系数：12>确认
图13定义对流参数
4.5定义施工阶段
由于热传导分析需要考虑时间，所以需要定义施工阶段，以便考虑时间变量。阶段类型选择水化热，水化热分析包括热传导和温度应力分析两个过程。热传导分析是计算节点温度随时间的变化量，即计算因水泥水合过程中发生的放热、对流、传导引起的节点温度变化。温度应力分析是使用热传导分析得到的各时间段的节点温度分布以及材料随时间变化的特性、混凝土随时间变化的收缩、混凝土随时间和应力变化的徐变等，计算大体积混凝土各施工阶段应力。
菜
单：静力/边坡分析>施工阶段管理>阶段类型：水化热>添加>定义施工阶段>阶段类型：瞬态>时间步骤>持续时间:100>步骤数量：100>勾选：保存结果>生成步骤>确认>将网格组/边界组/温度荷载组移动到激活数据>保存
图14定义施工阶段
4.6定义分析工况并进行分析
定义分析工况，如图15所示。
菜单：分析>新建分析工况>标题：热传导>求解类型：施工阶段>确认
运行分析，如图16所示。
菜单：分析>运行>勾选：热传导>确认
图15定义分析工况
图16运行分析
4.7结果查看
分析结束后，可在程序左侧工作栏中查看结果，分别得到各步骤下热传导和温度应力分析结果。
热
传导分析结果有节点温度、节点热流、单元各方向温度梯度和单元各方向热流，结果见图17~图20。
图
17节点温度云图
图18节点热流云图
图19单元温度梯度云图
图20单元热流云图
温度应力分析结果与一般施工阶段分析结果一样，此处就不一一说明了。应力结果如图21所示。
图21应力结果云图
5 总结
利用midas FEA NX可以进行罐体热传导分析，得到各点温度、热流、各单元温度梯度等结果。为了提高分析效率，可以采用2D断面模型进行模拟，关键部位网格应细分。
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