Stress Analysis and Design Optimization of Angled Circular Pressurized Tube Under a Non-Isothermal Condition
吳文瑞、劉勝安
E-mail: 9805482@mail.dyu.edu.tw
ABSTRACT
Pressure tubes are used in various industries to transport high temperature steam, gas, liquid, and other fluids. Some components are usually required in pressurized tubing systems to relieve the high stress due to thermal expansion. Among them, U-tube is a kind which plays an important role. It is mainly serves as reinforcement and connection usage. In this study, the structural behavior of a non-isothermal U-tube under its simulated operating condition is investigated based on finite element analysis in conjunction with heat transfer and fluid mechanics theories. The investigation includes the structural stress analysis, temperature distribution analysis, the modal analysis, as well as the design optimization. A program based on the use of ANSYS is then provided for the users to select the optimal thickness of a U-tube under a safe operating condition.
Keywords : U-tube、Finite Element、Modal Analysis
Table of Contents
封面內頁 簽名頁 授權書 iii 中文摘要 iv 英文摘要 v 誌謝 vi 目錄 vii 圖目錄 xi 表目錄 xvii 符號說明 xix 第一章 緒論 1 1.1 前 言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究方法 3 1.4 研究目的 3 1.5 論文內容 4 第二章 文獻回顧 5 2.1 前言 5 2.2 有限元素程式介 紹-ANSYS 7 2.2.1 簡介 7 2.2.2 一般前處理器(PREP7) 10 2.2.3 求解器(SOLU) 12 2.2.4 一般後處理器(POST1) 14 2.2.5 最佳化 處理器(OPT) 15 2.2.6 時域後處理器(OPST26) 17 2.2.7 各處理器間的轉換 17 2.2.8 ANSYS分析工程問題流程 17 第三章 問 題描述與分析方法 19 3.1 問題描述 19 3.2 流場分析及有限元素分析 21 3.2.1分析流程 21 3.2.2流場分析 21 3.2.2.1管內流場分 析 22 3.2.2.2管外流場分析 27 3.2.3有限元素分析 32 3.2.3.1 PLANE 42元素 32 3.2.3.2 PLANE 55元素 32 3.2.3.3 SOLID 70元 素 34 3.2.3.4 SOLID 45元素 35 3.3 模態分析 36 3.4 結構失效理論 40 第四章 有限元素法分析實例操作與討論 41 4.1軟體操 作說明 41 4.1.1管內流場分析 42 4.1.2管外流場分析 43 4.1.3 ANSYS非勻溫壓力圓管之應力分析與設計優化 44 4.1.4 收斂分 析 46 4.2 靜力實例分析與討論 47 4.2.1 靜力問題描述 47 4.2.2 靜力分析內容 49 4.2.3 直管及U型彎管熱應力分析與設計優化 50 4.2.3.1 ANSYS直管熱應力分析與設計優化(一端固定) 51 4.2.3.2 ANSYS直管熱應力分析與設計優化(兩端固定) 57 4.2.3.3 ANSYS U型彎管熱應力分析與設計優化(兩端固定，B=2A) 62 4.2.3.4 ANSYS U型彎管熱應力分析與設計優化(兩端固定
，B=0.5A) 67 4.3模態實例分析與討論 71 4.3.1 模態收斂分析 71 4.3.2 模態分析問題描述 73 4.3.3 模態分析內容 74 4.3.3.1 ANSYS直管模態分析(一端固定) 75 4.3.3.2 ANSYS直管模態分析(兩端固定) 78 4.3.3.3 ANSYS U型彎管模態分析(兩端固定
，B=2A) 81 4.3.3.4 ANSYS U型彎管模態分析(兩端固定，B=0.5A) 83 第五章 結論與建議 86 5.1 結論 86 5.2 建議 87 5.3 討 論 88 參考文獻 89
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