热膨胀过程中流固耦合应力分析的等效方法

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 热膨胀过程中流固耦合应力分析的 等效方法 摘要： 密闭容器内的液体受热 膨胀后，会挤压容器并使其受力变形直 至破裂，而传统的流固耦合分析方法难 以解决这种流固耦合场、应力场和温度 场等多场耦合的问题.利用等效表面载荷 的方法来模拟膨胀的液体与固体之间的 相互作用，可分析在温度升高过程中内 部充满液体的某个容器的受力情况.通过 本方法对容器进行动态应力分析，可等 效得到容器某个部分结构失效时，容器 内壁所受载荷的具体大小及其容积的变 化，并可对应得到某处结构失效时刻的 准确温度.该方法可有效解决多场耦合的 问题，并且省去液体模型，提高分析和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 计算速度.结合电池冷却箱受热膨胀的算 例进一步阐释该方法. 中国论文网 /8/view-12919430.htm 关键词： 密闭容器； 热膨胀； 结构失效； 应力； 流固耦合； 多场 耦合； 等效方法 中图分类号： TB115 文献标志 码： B Abstract： While the liquid in an airtight container is being heated， the container will be deformed and even fractured. It can hardly be solved by traditional fluidsolid coupling analysis method， because it is a multifield coupling problem， which includes fluidsolid coupling field， stress field， temperature field， and so on. A method of equivalent surface load is proposed to simulate the fluidsolid interaction in the process of thermal expansion， which can be used for stress analysis on the force of a container filled with liquid in the process -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 of temperature increase. With the dynamic stress analysis of the container using the method， the specific load on the container inner wall and the volume change can be obtained when the structural failure appears， and the accurate temperature of the failure part at the failure time can be obtained. The method can effectively solve the multifield coupling problem， and the speed of analysis and calculation can be improved while the liquid model is omitted. The method is further explained by the thermal expansion example of a battery cooling tank. Key words： airtight container； thermal expansion； structural failure； stress； fluidsolid coupling； multifield coupling； equivalent method 0 引言 若密闭固体容器内充满某种液体， 当温度升高时，由于液体受热膨胀明显 比固体要大，所以液体会挤压容器内壁， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 造成其变形甚至破裂.为确认容器破裂时 的准确温度，应对固体容器进行多场分 析，包括流固耦合场、应力场和温度场 等的分析，但是传统的流固耦合方法难 以完成多场分析1. 同时，某些容器内 表面构型比较复杂，若对液体模型划分 网格，计算量过大.为解决这些问题，考 虑省去液体模型，通过在容器内表面施 加均匀压力模拟液体与容器之间的作用， 在有限元软件中提取容器变形前与变形 后的节点坐标，借用 ImageWare 将节点 拟合成闭合的曲面2，并在 SolidWorks 中由闭合曲面构成实体后得到其体积3， 此体积即为等效液体的体积，利用液体 温度、压强和体积之间的关系即 PTV 特性，对应得到此时等效液体的温度. 1 液体等效方法 连通的液体在同一高度的压强处 处相等.因为大部分容器内液体高度差较 小，在液体热膨胀过程中，抵抗容器内 壁压缩的压力远大于因高度差造成的压 力，所以可以假设温度升高过程中液体 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 对容器内壁作用的压力处处相等.在其弹 性变形内，容器内表面受力大小决定容 器变形大小，因此可将液体模型省去， 通过在容器内表面施加均匀压力模拟液 体与容器之间的作用，并通过逐步加大 压力来模拟液体受热膨胀过程中对容器 内表面的挤压过程. 2 等效液体的 PVT 特性 2.1 液体的体积模量 假设在压强 P0 作用下，一定量 液体的体积为 V0，当压强变化为 dp 时 的体积变化量为 dv，则液体的体积模量 4K=-dPd（ V/V0） （1）普通液体的 体积模量在不同温度、不同毫 卤浠 不大，可视为固定值.大部分液体的体 积模量可查，比如水的体积模量为 2.18 GPa 左右；若需得到某种特定液体的体 积模量，可用迈克尔逊干涉仪等方式进 行测量.5 2.2 冷却液体积与温度和压强的 关系 随着温度的升高，液体的密度减 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 小，常用液体的密度表可查阅相关手册 6，而特定液体不同温度下的密度（不 考虑相变）可用密度仪测得7.在一定 压强作用下，假设液体 20 时体积为 V0，密度为 0，若温度增加到 T 时， 液体的密度为 T，在液体所受压强不 变的情况下，可知此时冷却液的体积只 与温度有关，即 VT=V00T （2）假 设温度 T 下液体所受压强增加 P，根据 体积模量 K 的定义可知，此时冷却液体 积会相对缩小，缩小的体积占原总体积 的 P/K，因此，此时冷却液体积 V（T， P）=V00T1-PK （3）密闭 容器内的液体在受热膨胀挤压容器内壁 的过程中，当温度 T 升高时，液体作用 于壳体的压强 P 随之增加 .同时，容器 内腔的体积也逐渐增大.假设温度升高到 T1 后变形达到平衡时的液体压强为 P1，冷却液体积变为 V1，根据式（1） 可得此时冷却液体积 V1 与压强 P1 和温 度 T1 之间的关系为 V1=V00T11- P1K （4）在等效方法中，已知液体的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 体积模量 K 与初始温度下液体的密度 0，在容器内壁施加垂直于内壁表面且 处处相等的压力 P1 之后，根据变形前 的节点坐标和变形后的节点坐标，在 ImageWare 软件中分别构造变形前和变 形后的封闭曲面，并导入到 SolidWorks 中生成实体模型，计算变形前和变形后 的体积 V0 与 V1，可以得到在温度变化 之后等效液体的密度 T，查看液体不 同温度下的密度表，可得到此时等效液 体的温度 T1. 3 算例及结果 以某电动车电池冷却箱冷却液的 热膨胀受力过程为例进行实例计算.冷却 箱的进、出液口因火焰或其他外部环境 影响而堵塞，整个冷却箱成为一个密闭 的容器，冷却液充满在整个冷却箱中.利 用本文的等效方法求解箱体某个部位结 构失效时的准确温度. 整个电池箱分为上下盖板和侧围 板，其中在下盖板上开有 V 型槽，使得 箱体更容易在下方破裂.冷却箱的计算模 型见图 1.冷却液为 50%乙二醇水溶液， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 其密度表8见表 1.整个箱体为 6061T4 铝合金材料，其主要材料属性9见表 2. 对冷却箱侧围板与车架固连的 6 个位置 对应的节点施加全约束，在冷却箱内表 面依次施加 0.2，0.4，0.6，0.8 和 1.0 MPa 的压强，有限元模型求解完成后分 别提取各载荷步下冷却箱模型内表面上 所有节点的位移并与变形前相应节点坐 标叠加10，通过 ImageWare 将节点逆 向拟合为曲面，导入 SolidWorks 中生成 实体模型并计算内表面围成的体积，可 以得到等效冷却液的体积，见表 3. 按照式（4） ，通过计算和查表得 到不同冷却液压力下的冷却液等效温度， 见表 4.与材料的最大许用应力进行对比， 经过分析发现整个冷却箱最大应力出现 在 V 型槽处，且当内表面施加的压力为 0.85 MPa 时，V 型槽处的应力达到材料 的屈服强度