Добрый день. Прошу помощи с учётом температуры в прочностном статическом расчёте.

[Dima93 0]

Есть бронзовая цилиндрическая стенка толщиной 1мм и внутренним радиусом 90мм. На внешней поверхности продольные рёбра высотой 4мм с большим шагом (мяса несколько больше, чем каналов). Внутри каналов течёт охладитель с давлением 25МПа, внутри цилиндра 7МПа. Внешняя цилиндрическая поверхность рёбер припаяна к "толстому" силовому стальному цилиндру. Если проводить "холодный" статический расчёт, то напряжения в бронзе небольшие. Если задать бронзе температурную нагрузку из температурного расчёта или просто постоянную температуру больше 400К, то напряжения по Мизесу улетают за тысячи, коэф. запаса прочности~0.1. На самом деле конструкция работает. Закреплял силовой цилиндр по радиусу и по оси, вводил симметрию по бокам модели.

Материалы сначала задавал свои, потом для проверки стал использовать  стандартные - Легированную сталь и Хромистую бронзу.

Реальная конструкция работоспособна при температурах около 800К.

 

модель под СВ2021 https://disk.yandex.ru/d/aU0JYeAbffGB5w

[Bonus 70]

Температурные нагрузки самолимитирующиеся. Если материал пластичен, то единократное нагружение не приводит к разрушению. Напряжения рассматриваются как малоцикловый фатиг. Постарайтесь диапазон напряжений держать в пределе 2*сигма текучести. Диапазон, это размах напряжений с учетом знака (на холодном и горячем).

[soklakov 1 475]

1 час назад, Dima93 сказал:

Если задать бронзе температурную нагрузку из температурного расчёта или просто постоянную температуру больше 400К, то напряжения по Мизесу улетают за тысячи, коэф. запаса прочности~0.1

Это плохие закрепления. Скорее всего фиксированная заделка.

[Jesse 958]

@Dima93 а откуда коэффы такие мощнявые?)

Хрен с ним с охладитетелем, а вот для воздуха точно какое-то нездоровое большое значение..))

 

Насчет сетки: выбирайте ту которая на основе смешанной кривизны - с ней и шустрее строится (многоядерность задействуется), и сетка более красивая и регулярная получается, с меньшим кол-вом узлом, т..е. ещё и экономная 
Вот сравнение вашей и моей сетки с теми же параметрами:

В любом случае сетка слишком грубая для статического расчета. Для теплового мб хватит..

 

Короч, все эти заморочки лишние, имхо задачу можно легко решить в 2Д..)
Видно же, НДС практически не меняется по длине. Возьмите сечение да и всё. Там можно уплотнять сколько хош))

 

з.ы.: я бы лучше перепроверил коэффициенты конвективного теплоотвода..))

Изменено 19 мая 2023 пользователем Jesse

[статист 608]

2 часа назад, Jesse сказал:

а откуда коэффы такие мощнявые?)

Хрен с ним с охладитетелем, а вот для воздуха точно какое-то нездоровое большое значение..))

Согласен с @Jesse, какие-то странные они.

У Вас перепад почти 400 градусов температуры на нижней детали. Скорее всего из-за этого большие напряжения на ней. Не думаю, что в реальности у Вас такие перепады получались.

 

 

[Dima93 0]

По поводу коэффициентов теплоотдачи. Они взяты от балды для конспирации ))), но в целом направление верное, порядок такой. Тепловые потоки бешеные, это камера сгорания охлаждается водородом (в канале).

В реальности тепловое поле бронзовой детали значительно зависит от координаты Z, и может варьироваться по азимуту.

Итоговая температура бронзы от 500 до 900К с "горячей" стороны и 250-450К с "холодной". Плюс еще есть внутреннее оребрение. Поэтому совсем двумерную задачу делать нельзя.

Кроме того, я в одном из вариантов специально задавал температуру постоянной для всей модели. И тогда при температуре больше 350К напряжения становятся выше 4000МПа...

 

Проблема видимо с сеткой и закреплениями, после выходных попробую поэкспериментировать

2 часа назад, Jesse сказал:

выбирайте ту которая на основе смешанной кривизны - с ней и шустрее строится (многоядерность задействуется), и сетка более красивая и регулярная получается, с меньшим кол-вом узлом, т..е. ещё и экономная

Спасибо, попробую

[ДОБРЯК 602]

6 часов назад, Dima93 сказал:

По поводу коэффициентов теплоотдачи. Они взяты от балды для конспирации ))), но в целом направление верное, порядок такой. Тепловые потоки беше

Поэтому и результаты вы получили от балды.

6 часов назад, Dima93 сказал:

В реальности тепловое поле бронзовой детали значительно зависит от координаты Z, и может варьироваться по азимуту.

Нужно получить реальное тепловое поле, и только после этого переходить к расчету напряжений.

 

6 часов назад, Dima93 сказал:

Проблема видимо с сеткой и закреплениями, после выходных попробую поэкспериментировать

Можно, конечно, экспериментировать и задавать закрепление от балды. Но расчетный опыт показывает, что проще задать закрепление как в реальности. И получить реальные напряжения.

15 часов назад, Dima93 сказал:

Реальная конструкция работоспособна при температурах около 800К.

Месяц назад была тема про реальную конструкцию с реальной) затяжкой болта. Можете найти ее в разделе СВ.

Чтобы получить реальные результаты, нужно задать реальные граничные условия. И только в сложной геометрии возникают проблемы с сеткой.

Вы задали граничные условия от балды и получили результаты от балды...

Изменено 20 мая 2023 пользователем ДОБРЯК

[soklakov 1 475]

7 часов назад, Dima93 сказал:

По поводу коэффициентов теплоотдачи. Они взяты от балды для конспирации ))),

15000 Вт/м2 пароводяная смесь, перегретая и передавленная.

Приведёте пример значений побольше?

7 часов назад, Dima93 сказал:

Поэтому совсем двумерную задачу делать нельзя.

Сначала можно. Даже нужно.

7 часов назад, Dima93 сказал:

Проблема видимо с сеткой и закреплениями,

Внимательно прочитайте текст Добряка.

[статист 608]

19 часов назад, Dima93 сказал:

Итоговая температура бронзы от 500 до 900К с "горячей" стороны и 250-450К с "холодной".

Это результат расчета или эксперимента?

[Dima93 0]

Что-то все прицепились к коэффициентам теплоотдачи. Мне просто надо было задать радиальный градиент температуры на бронзовой стенке. Повторю, даже при задании постоянной температуры выше 400К напряжения по Мизесу выходят за рамки разумного.

2 часа назад, статист сказал:

Это результат расчета или эксперимента?

Это реальная температура стенки ракетных двигателей

 

15 часов назад, ДОБРЯК сказал:

Чтобы получить реальные результаты, нужно задать реальные граничные условия.

Реальная конструкция велика и сложна, я из неё только фрагмент рассматриваю.

[soklakov 1 475]

56 минут назад, Dima93 сказал:

Повторю, даже при задании постоянной температуры выше 400К напряжения по Мизесу выходят за рамки разумного.

Картинки будут?

 

[статист 608]

2 часа назад, Dima93 сказал:

Что-то все прицепились к коэффициентам теплоотдачи.

Не задавали бы, мы бы не спрашивали. Кто Вашу задачу знает.

Далее уже будем цеплятся к ГУ. Зачем у вас там задано на цилиндрической грани? На плоскую то грань. Это явный путь к неадекватным результатам.

 

 

 

[ДОБРЯК 602]

8 часов назад, Dima93 сказал:

Реальная конструкция велика и сложна, я из неё только фрагмент рассматриваю.

Вы вырезайте большой фрагмент. И граничные условия задайте для большого фрагмента.

19.05.2023 в 16:01, Dima93 сказал:

Закреплял силовой цилиндр по радиусу и по оси

В реальной модели перемещения по радиусу и по оси не равны нулю.

Если вы результаты сравниваите с реальной моделью, то вы и граничные условия задайте как в реальной модели.

[Dima93 0]

21.05.2023 в 00:25, статист сказал:

Зачем у вас там задано на цилиндрической грани? На плоскую то грань. Это явный путь к неадекватным результатам.

 

 

 

Там цилиндр и есть. Я в самом начале, в описании писал, что речь идет о цилиндрической стенке. Речь идёт о фрагменте камеры сгорания ЖРД, например о такой:

Рассматривается вырезанный вдоль оси сектор стенки шириной в 1 канал охлаждения.

Интересует термонапряжённое состояние цилиндрической стенки. Она спаянная двухслойная, внутренняя бронзовая стенка греется по радиусу действительно от ~300 до 800+ градусов Кельвина, наружная силовая стальная практически холодная.

Закрепление всей камеры примерно такое - на внешней стальной стенке есть фланец с осью качания, примерно напротив минимального сечения

 

Обычно считается, что наружная холодная стенка закреплена неподвижно. Поэтому я ставлю по её цилиндрической поверхности ограничение на радиальные перемещения и перемещения вдоль оси. Боковые поверхности модели: на передней запрещены перемещения поперёк плоскости, на задней поверхности модели - симметрия. Видимо крепления я задаю не так.

 

 

Ниже поля напряжений при сохранении давления в канале охлаждения и внутри камеры:

 

при постоянной холодной температуре 300К:

 

 

при постоянной повышенной температуре 500К:

 

 

 

при переменной по радиусу, близкой к реальности температуре 300-766К

 

 

Прототип реальной конструкции работоспособен. Расчётные значения температур соответствуют указанному выше разбросу 300-800К, при этом максимальные расчётные напряжения едва достигают 105 МПа

 

 

Сетку на основе кривизны измельчил. Вопрос стоит в правильности задания ГУ, как закреплять фрагмент стенки?

 

 

 

Изменено 22 мая 2023 пользователем Dima93
лишняя картинка, повтор

[vik_q 138]

7 часов назад, Dima93 сказал:

Обычно считается, что наружная холодная стенка закреплена неподвижно. Поэтому я ставлю по её цилиндрической поверхности ограничение на радиальные перемещения и перемещения вдоль оси.

Зря. Отсюда и растут большие напряжения.

Обычно такие задачи ограничивают по поверхностям отсечения (те, которыми канал из основного сопла вырезали). И лучше всего сейчас туда условие симметрии для начала приложить. Ну и торец закрепить, чтобы по оси не улетал.

 

Упд. Ещё можно сектор честно вырезать. Тогда будет ещё точнее.

Изменено 22 мая 2023 пользователем vik_q

[Dima93 0]

16 часов назад, vik_q сказал:

Упд. Ещё можно сектор честно вырезать. Тогда будет ещё точнее.

Как это? У меня честный сектор, маленький, но честный. Или имеется ввиду сектор на 90 градусов, чтобы на две грани сделать условия симметрии?

Я добавил геометрию к наружной стенке, но проблема то не в ней.

[статист 608]

22.05.2023 в 13:55, Dima93 сказал:

Обычно считается, что наружная холодная стенка закреплена неподвижно. Поэтому я ставлю по её цилиндрической поверхности ограничение на радиальные перемещения и перемещения вдоль оси. Боковые поверхности модели: на передней запрещены перемещения поперёк плоскости, на задней поверхности модели - симметрия. Видимо крепления я задаю не так.

Ну если оставить только симметрию с одной стороны и зажим с двух боковых сторон, то получится следующая картина при Вашей температурной нагрузке

 

 

Здесь выставлен максимум на 450 МПа. На самом деле максимальные напряжения еще больше, 1510 МПа.

 

Надо дальше смотреть, как получается, что конструкция держит, а модель нет. Думаю уже в пластику нужно углубляться. В стали напряжения 220 МПа, кроме концов. С ними интересная картина получается, не пойму пока, почему там 450 МПа.

22.05.2023 в 13:55, Dima93 сказал:

Закрепление всей камеры примерно такое - на внешней стальной стенке есть фланец с осью качания, примерно напротив минимального сечения

 

 

 

Ваша "палка" как-то не особо похожа на сектор этого аппарата.

 

[vik_q 138]

21 час назад, Dima93 сказал:

Как это? У меня честный сектор, маленький, но честный. Или имеется ввиду сектор на 90 градусов, чтобы на две грани сделать условия симметрии?

Я добавил геометрию к наружной стенке, но проблема то не в ней.

Маленький сектор-нормально. Ставьте на поверхности отсечения условия симметрии, и считайте.

 

Упд. Что-то я позабыл-в солиде нельзя наверное просто симметрию в этой задаче воткнуть. Поэтому ставьте запрет перемещений перпендикулярно этими поверхностям на каждой из них.

2 минуты назад, vik_q сказал:

Маленький сектор-нормально. Ставьте на поверхности отсечения условия симметрии, и считайте.

 

Упд. Что-то я позабыл-в солиде нельзя наверное просто симметрию в этой задаче воткнуть. Поэтому ставьте запрет перемещений перпендикулярно этими поверхностям (на каждой из них запрет перемещений перпендикулярно самой себе)

 

Изменено 24 мая 2023 пользователем vik_q

[Dima93 0]

19 часов назад, статист сказал:

 

 

 

 

 

Ваша "палка" как-то не особо похожа на сектор этого аппарата.

 

Я там в предпоследнем посте привел пример расчета модели прототипа. Считали в Ансисе, наверное. Закрепление было другим, видимо (вот бы понять, каким). Мне советовали сделать не просто симметрию по бокам, а циклическую симметрию, жесткое закрепление на переднем срезе и запрет осевых перемещений на дальнем срезе. На верхнем цилиндре ничего не задавать, пусть само прогибается, как надо.

Были сказаны слова про нелинейную модель, что у меня зависимости напряжений от деформаций не должны быть линейными. 

[статист 608]

36 минут назад, Dima93 сказал:

Мне советовали сделать не просто симметрию по бокам, а циклическую симметрию, жесткое закрепление на переднем срезе и запрет осевых перемещений на дальнем срезе. На верхнем цилиндре ничего не задавать, пусть само прогибается, как надо.

Циклическая симметрия могла бы применяться, если бы у вас нагрузки были бы не симметричны. У Вас, если не принимать в расчет давление нагрузка от градиента температур осесимметричная, так что по боковым граням у вас заданы верные ГУ.

По поводу жесткого защемления. Категорически не рекомендую применять жесткое закрепление для задач на термическое расширение. У Вас в месте зажима будут огромные напряжения, которые к физике процесса иметь ничего общего не будут. Это связано с тем, что в месте жеского крепления у Вас узлы будут неподвижны  в пространстве, хотя рядом стоящие узлы будут стараться расшириться. В жизни ответная деталь также будет расширяться, но это никак не учесть чисто ГУ. Нужно позволить также скользить детали вдоль этой плоскости и сделать закрепление допустим в какой нибудь точке. Или применить податливые пружины, что я и сделал.

запрет осевых перемещений на дальнем срезе также вызовет неадекватные напряжения, так как у вас деталь попытается расшириться, но будет зажата между двумя плоскостями. А это чревато большими изгибными напряжениями. Нужно просто ничего не задавать на дальнем конце.

 

36 минут назад, Dima93 сказал:

Были сказаны слова про нелинейную модель, что у меня зависимости напряжений от деформаций не должны быть линейными. 

Насчет этого - нужны марки используемых материалов, а в лучшем случае диаграммы напряжения-деформации.

Как у вас в реальной конструкции детали соединяются друг с другом?

Изменено 24 мая 2023 пользователем статист