工程計算方法及軟件應用

1、工程計算方法與軟件應用本科生大作業(yè)考核方式：考查（成績按各軟件的課外作業(yè)成績綜合給出）。各軟件講完后12星期內(nèi)上交作業(yè)。一、CAD/CAE軟件作業(yè)（每個學生完成下列任意一題） 題目一：一端固定支撐，一端集中力的梁，橫截面為10 x10cm，長為150cm， 受集中載荷作用，P=50N。彈性模量E=70GPa，泊松比r=0.2。用ABAQUS 軟件建模并計算最大應力和最大位移的位置和大小。（1）二維；（2）三維圖1梁受力簡圖題目二圖中所示為一個連接件，一端焊接到設備母體上，一端在圓柱銷 子作用下的圓孔，圓孔下半周受到30 kN的均布載荷作用，用ABAQUS 軟件建模并計算最大應力和最大位移的位置

2、和大小。圖2連接件受力簡圖題目三：如圖3所示為一薄壁圓筒，在圓筒中心受集中力F作用，對此進 行受力分析，并給出應力、位移云圖，并求A、B兩點位移。圓筒幾何參數(shù)：長度L=0.2m；半徑R=0.05m壁厚r=2.5mm。材料參數(shù)：彈性模量E=120Gpa；泊松比0.3載荷：F=1.5kN。圖3薄壁管受力簡圖題目四：如圖4所示為一燃氣輸送管道截面及受力見圖，試分析管道在內(nèi) 部壓力作用下的應力場。幾何參數(shù)：外徑0.6m，內(nèi)徑0.4m，壁厚0.2m材料參數(shù)：彈性模量E=120Gpa；泊松比0.26載荷尸=1Mpa。圖4燃氣管受力簡圖題目五:如圖5為一三角桁架受力簡圖，途中各桿件通過鉸鏈鏈接，桿件材料及幾

3、何參數(shù)見表1和表2所示，桁架受集中力F；=5kN、F2=2.5kN作用，求桁架各點位移及反作用力。圖5三角桁架受力簡圖表1桿件材料參數(shù)Ei/PaE/paE3/paVi2.1Ee116.5e102.0e110.30.260.26表2桿件幾何參數(shù)L1/mL /m2L /m3A/m2A2/m2A3/m20.40.50.36e-49e-44e-4二、CFD軟件作業(yè)（每個學生完成下列任意一題）基本格式：選用經(jīng)典算例或?qū)嶋H問題進行模擬，包括研究背景與 意義，問題描述，幾何建模，物理建模，網(wǎng)格考核，數(shù)據(jù)驗證和結(jié)果 分析與討論，參考文獻。題目1：等角速度旋轉(zhuǎn)問題一圓柱形容器（見圖1），直徑為d=300mm，高

4、H=500mm，容器內(nèi) 裝水，水深外=300mm，容器繞其中心鉛百軸線等角速度旋轉(zhuǎn)，計算 轉(zhuǎn)速分別為20，40，60，80，100，120，140，160rpm時的液面變化 情況，并獲得液體的壓強規(guī)律?？梢圆捎昧黧w力學靜力學的相關(guān)知識 驗證。25 Cairwater/ _ 圖1w題目2：流量計問題一標準孔板流量計，結(jié)構(gòu)尺寸見圖2,管道內(nèi)徑D為50mm，孔 板厚度E為3mm，節(jié)流孔厚度e為0.8mm，求速度場的分布云圖， 壓力的分布云圖，不同Re、時管中心壓力P隨軸向的變化曲線，孔板流量計的流出系數(shù)C隨Re、P的變化關(guān)系。計算工況表見下表1。（每人計算2個工況，共72個工況）。流出系數(shù)C的定義查

5、找流體力學書籍或相關(guān)文獻。圖2孔板流量計結(jié)構(gòu)表1計算工況表PRex10-40.20.40.60.81246810501021030.30.40.50.60.75題目3：換熱問題一換熱管（題3.1為圓形截面換熱管，內(nèi)徑為20；題3.2為標準 橢圓截面換熱管3015mm）,管內(nèi)介質(zhì)為水，進口溫度20C，計算換 熱管內(nèi)的流動和換熱過程，獲得管內(nèi)流體的速度場、溫度場；獲得 Nu、f隨Re的變化關(guān)系，獲得兩種邊界條件下，各流體斷面平均溫度tf與壁面溫度Tw隨軸向的變化規(guī)律（參照傳熱學圖6-7）。計算時 管壁邊界分別采用恒壁溫（Tw=50C ）和恒熱流密度（g=50kW/m2） 兩種邊界條件計算。層流時

6、Re 分別取 500, 1000, 1500, 2000；湍流時 Re 取 104, 2X104, 5X104, 8X104, 105o圖3.1圓管圖3.2標準橢圓截面管題目4：圓柱等繞流的層流數(shù)值模擬在層流范圍內(nèi)利用cfd軟件對圓柱等幾何體進行數(shù)值模擬計算， 與經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目5：圓柱等繞流的湍流數(shù)值模擬在湍流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對圓柱等幾何體進行數(shù)值模擬計算， 與經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目6：后臺階流動的層流模擬計算在層流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對后臺階等幾何體進行數(shù)值模擬計 算，與經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目7：后臺階流動的湍流模擬計算在湍流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對后

7、臺階等幾何體進行數(shù)值模擬計算，與經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目8：圓管等通道內(nèi)的層流計算（恒熱流）在層流范圍內(nèi)利用cfd軟件對圓管等通道進行數(shù)值模擬計算，與 經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目9：圓管等通道內(nèi)的湍流計算（恒熱流）在湍流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對圓管等通道進行數(shù)值模擬計算，與 經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目10：圓管等通道內(nèi)的層流計算（恒壁溫）在層流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對圓管等通道進行數(shù)值模擬計算，與 經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。題目11：圓管等通道內(nèi)的湍流計算（恒壁溫）在湍流范圍內(nèi)利用Cfd軟件對圓管等通道進行數(shù)值模擬計算，與 經(jīng)典數(shù)據(jù)或文獻數(shù)據(jù)進行對比。三、流程模擬技術(shù)及ASP

8、EN軟件作業(yè)（每個學生完成下列任意 一題）題目1、完成甲醇塔的熱量及物料衡算請用如下數(shù)據(jù)完成對甲醇塔的核算:塔進料： 63+2wt%水塔規(guī)定：3 8塊塔板(仙塊理論板) 進料板=23 (笫24塊理論板) 寸凝器為全堅一 塔頂壓力：16. lpsia3&弭吒甲醇總流量 12 0* 0001 bmo 1 /hr壓力1 土 5psia,飽和液體要求:建立流程圖；輸入物料；選擇合適的物性方法;查看計算結(jié)果。題日2、甲基環(huán)幾烷(MCH)和甲苯(Toluene)由于沸點非常接近，采用普通 的二元蒸餾方法難以分離，我們采用苯酚(Phenol)抽提法來將二 者分離，幾乎純凈的甲基環(huán)幾烷從塔頂回收?；厥盏腗CH

9、純度取決于苯酚的加入量，模擬該工藝，研究該塔的 性能，具體的工藝流程圖和操作條件如下：1200 IhmolfhtNo. of equilibrium stages 22 Total CQPdenMr Refitix ratio 8Distaste rate 200 JhfnobhrCondenser pressure 16 psia Reboiler pressure 衛(wèi) 0.2 psi a辯CH 200 moi/hr Taluene 200 bmai/hr2泌F20 psia提示：1、分離模塊用RadFrac中的FRACT12、 物性方法采用UNIFAC（甲苯沸點231.13F,MCH沸點2

10、13.68F）3、在報告選項中要增加物流的摩爾分率工藝條件：ParameterValueUnits1 emperature220FIVessure20psi1 olnene flow rate200lb mol. hrMC H flow rate200lb mol. hrParameterValueUnitsSlumber of stagesJia Jiaa1Condenser1 MilDistillate rate200Ibmol. hrReflux nil io8題目3、換熱器的熱量恒算HeatX 一雙物流換熱器Heatx模塊可以對大多類型的雙物流換熱器進行簡捷的或嚴 格的計算。HeatX有兩種核算模型：簡捷法和嚴格法。筒捷法總是采用用戶規(guī)定的（或缺省的）總的傳熱系數(shù) 值。如果換熱器的二何尺寸不知道或不重要.HeatX模型可進 行簡單的核算.例如.只進行能量和物料平衡計算“嚴格法采用膜系數(shù)的嚴格熱傳遞方程十但必須提供換熱器 的幾何尺寸.下面舉例予以說明、工藝參數(shù)：