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1、第10卷第4期船舶力学Vol.10No.42006年8月JournalofShipMechanicsAug.2006文章编号:1007-7294(2006)04-0098-07非稳态导热温度场及热应力的有限元计算司马俊华,张世联(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200030)摘要:热分析涉及到温度场求解和热应力计算,文章以喷射热气流对甲板结构的影响为研究对象,利用MSC的THERMAL和STRUCTURAL模块进行热分析,具体研究理论原理、模型简化、有限元网格划分和边界条件。计算结果表明,热应力对结构安全和性能的影响不容忽视,在设计中必须给予考虑,也为相关的温度载荷研究提供
2、参考。关键词:非稳态温度场;热传递;热应力;有限元中图分类号:U661.4文献标识码:AFiniteelementcalculationonunsteadytemperaturefieldandthermalstressSIMAJun-hua,ZHANGShi-lian(SchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Thermalanalysisreferstotheresolutionoftemperaturef
3、ieldandthecalculationofthermalstress.Inthispaper,theobjectofresearchistheimpactofdeckstructureundersprayhotairflow.BymeansofthethermalandstructuralmoduleinMSCsoftware,thethermalanalysiswascarriedout.Thermaltheory,simplificationofmodel,meshplotofFEMandboundaryconditionswereresearchedindetail.Th
4、eresultsin-dicatethattheinfluenceonstructuresafetyandnaturecannotbeignored.Italsoprovidesreferencetocor-relativethermalloadstudy.Keywords:unsteadytemperaturefield;heattransferring;thermalstress;finiteelementmethod1引言在实际工程问题中,由于日照、水温变化和环境大气的影响往往会导致结构物产生热应力和热变形。例如桥梁和大坝,海洋平台的桩腿,航行在特殊海域的船舶以及装载高温或低
5、温货物的非常规船舶,这些大型结构都不可避免地受到温度载荷作用而产生不可忽视的热应力。对于舰船或火箭发射平台表面,热载荷影响尤为明显:例如导弹或火箭发射时,高温高压的尾气热流作用在发射平台表面,局部结构对热载荷的响应会对结构强度和性能产生影响。国外在这方面都有报道,目前国内对热应力的研究较少。由于结构热分析涉及到跨学科的热学理论、加之船体结构既庞大又复杂,所以减少了人们对它的研究,在船体结构方面求解温度场分布和热应力的文献也很少。一般来讲,引起物体热应力的根本原因是在约束条件下物体内部温度场发生变化或在无约束条件下温度场变化不均匀。随着大型结构有限元分析软件如NASTRAN,ANSY
6、S,ABAQUS的THERMAL收稿日期:2005-01-10作者简介:司马俊华(1980-),男,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院硕士研究生;张世联(1952-),男,上海交通大学教授。第4期司马俊华等:非稳态导热温度场及热应力的⋯99分析模块的完善和计算机速度的突飞猛进,热分析的数值解法有了很大发展。本文拟以舰船甲板为研究对象,应用MSC/NASTRAN有限元分析软件,计算分析甲板在尾气热流作用下的非稳态导热过程中瞬态温度场的分布和局部热应力。2非稳态导热温度场不考虑环境载荷及忽略甲板与周围空气的热交换,导弹排出的高速尾气热流在瞬态状态中以对流换热为主和热辐射为辅的导热形式向
7、甲板表面传递热量,随后热量在甲板内进行传导以引起整个结构温度的升高。由于甲板表面的导弹尾气热流是非稳态的,导致甲板内部的导热方式也是非稳态的。甲板温度场不仅随空间坐标变化,并且还随时间而变,研究其分布需做如下的假定和简化:1)甲板的长度和宽度远大于其厚度可近似当作一块无限大平板;2)甲板上表面由于气流的影响,板内部热量在纵向和横向的传导与气流传导给甲板的热量相比可以忽略不计,同时板在长度和宽度的边缘向四周散热对板内各点温度的影响也不予考虑。将x轴的原点置于甲板下表面,
