1、精品文檔ANSYS熱應(yīng)力分析實(shí)例當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)加熱或冷卻時(shí)，會(huì)發(fā)生膨脹或收縮。如果結(jié)構(gòu)各部分之間膨脹收 縮程度不同，和結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮受到限制，就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力分析的分類ANSYS提供三種進(jìn)行熱應(yīng)力分析的方法：在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點(diǎn)的溫度。如果所以節(jié)點(diǎn)的溫度已知，則可以 通過命令直接定義節(jié)點(diǎn)溫度。節(jié)點(diǎn)溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點(diǎn)自 由度間接法。首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng) 力分析中。直接法。使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng) 力分析的結(jié)果。如果節(jié)點(diǎn)溫度已知，適合第一種方法。但節(jié)點(diǎn)溫度一般是不知道的。對(duì)于大 多數(shù)問題，推薦使

2、用第二種方法一間接法。因?yàn)檫@種方法可以使用所有熱分析的 功能和結(jié)構(gòu)分析的功能。如果熱分析是瞬態(tài)的，只需要找出溫度梯度最大的時(shí)間 點(diǎn)，并將此時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度作為荷載施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中去。如果熱和結(jié)構(gòu)的耦合是雙向的，即熱分析影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，同時(shí)結(jié)構(gòu)變形又會(huì)影響熱分析（如 大變形、接觸等），則可以使用第三種直接法 一使用耦合單元。此外只有第三種 方法可以考慮其他分析領(lǐng)域（電磁、流體等）對(duì)熱和結(jié)構(gòu)的影響。間接法進(jìn)行熱應(yīng)力分析的步驟首先進(jìn)行熱分析?？梢允褂脽岱治龅乃泄δ埽▊鲗?dǎo)、對(duì)流、輻射和表 面效應(yīng)單元等，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。但要注意劃分單元時(shí)要充分考慮結(jié)構(gòu)分 析的要求。例如，在有可能有應(yīng)力

3、集中的地方的網(wǎng)格要密一些。 如果進(jìn)行瞬態(tài)分 析，在后處理中要找出熱梯度最大的時(shí)間點(diǎn)或載荷步。表7-1熱單元及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元熱單元結(jié)構(gòu)單元LINK32LINK1LINK33LINK8PLANE35PLANE2PLANE55PLANE42SHELL57SHELL63PLANE67PLANE42LINK68LINK8精品文檔精品文檔SOLID79SOLID45MASS71MASS21PLANE75PLANE25PLANE77PLANE82PLANE78PLANE83PLANE87PLANE92PLANE90PLANE95SHELL157SHELL63重新進(jìn)入前處理，將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，表

4、7-1是熱單元與結(jié)構(gòu) 單元的對(duì)應(yīng)表。可以使用菜單進(jìn)行轉(zhuǎn)換：Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Element Type , 選擇 Thermal to Structual。但要注意設(shè)定相應(yīng)的單元選項(xiàng)。例如熱單元的軸對(duì)稱不能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)單 元中，需要手工設(shè)置一下。在命令流中，可將原熱單元的編號(hào)重新定義為結(jié)構(gòu)單 元，并設(shè)置相應(yīng)的單元選項(xiàng)。設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中的材料屬性（包括熱膨脹系數(shù)）以及前處理細(xì)節(jié)，如節(jié)點(diǎn)耦 合、約束方程等。讀入熱分析中的節(jié)點(diǎn)溫度，GUI: SolutionLoad ApplyTemperatureFrom Thermal Analysis

5、 。輸入或 選擇熱分析的結(jié)果文件名*.rtho如果熱分析是瞬態(tài)的，則還需要輸入熱梯度最大 時(shí)的時(shí)間點(diǎn)或載荷步。節(jié)點(diǎn)溫度是作為體載荷施加的，可通過 Utility MenuListLoadBody LoadOn all nodes歹！J表輸出。設(shè)置參考溫度，Main MenuSolutionLoad SettingReference Temp 。進(jìn)行求解、后處理。間接法熱應(yīng)力分析實(shí)例問題描述圖7-1冷卻柵示意圖精品文檔精品文檔熱流體在代有冷卻柵的管道里流動(dòng)，如圖為其軸對(duì)稱截面圖。管道及冷卻柵 的材料均為不銹鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為1.25Btu/hr-in-oF ,彈性模量為28E6lb/in2泊松 比為

6、0.3。管內(nèi)壓力為1000 lb/in2 ,管內(nèi)流體溫度為450 oF ,對(duì)流系數(shù)為1 Btu/hr-in2-oF,外界流體溫度為70 oF ,對(duì)流系數(shù)為0.25 Btu/hr-in2-oF 。求溫度 及應(yīng)力分布。7.3.2菜單操作過程7.3.2.1設(shè)置分析標(biāo)題1、選擇 “Utility MenuFileChange Title ,輸式 Indirect thermal-stress Analysis of a cooling fin 。2、選擇 “Utility MenuFileChange Filename ,輸入 PIPE_FIN。7.3.2.2進(jìn)入熱分析，定義熱單元和熱材料屬性1、選擇

7、 “Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ,選擇 PLANE55 ,設(shè)定單元選項(xiàng)為軸對(duì)稱。2、設(shè)定導(dǎo)熱系數(shù)：選擇 “Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMa terial Models，點(diǎn)擊 Thermal , Conductivity , Isotropic ,輸入 1.25。7.3.2.3創(chuàng)建模型1、創(chuàng)建八個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，選擇 “Main MenuPreprocessorCreatKeypointsOnActive CS ；關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)如下：編號(hào)12345678X5612126655Y0000.250.

8、25110.252、組成三個(gè)面：選擇 “MainMenuPreprocessorCreat AreaArbitraryThrouth Kps ，由 1,2,5,8 組成面 1; 由2,3,4,5組成面2;由8,5,6,7組成面3。精品文檔精品文檔3、設(shè)定單元尺寸，并劃分網(wǎng)格： “Main MenuPreprocessorMeshtool，”設(shè) 定 global size 為 0.125 ,選擇 AREA , Mapped , Mesh ,點(diǎn)擊 Pick all。7.3.2.4施加荷載1、選擇 “Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordi

9、nates , From Full ;輸入5,點(diǎn)擊OK,選擇管內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)；2、在管內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)上施加對(duì)流邊界條件：選擇 “MainMenuSolutionApplyConvectionOn nodes :點(diǎn)擊 Pick , all,輸入對(duì)流換熱 系數(shù)1 ,流體環(huán)境溫度450。3、選擇 “Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates , From Full ;輸入6,12，點(diǎn)擊Apply ;4、選擇 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates , Reselect

10、；輸入 0.25,1，點(diǎn)擊 Apply ；5、選擇 “ Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates , Also select，輸入 12,點(diǎn)擊 OK；6、在管外邊界上施加對(duì)流邊界條件：選擇 “Main MenuSolutionApplyConvectionOn nodes :點(diǎn)擊 Pick , all,輸入對(duì)流換熱 系數(shù)0.25,流體環(huán)境溫度70。求解1、選擇 “Utility MenuSelectSelect Everything 。2、選擇 “Main MenuSolutionSolve Current LS 。 后處理

11、1、顯示溫度分布：選擇 “Main MenuGeneral PostprocPlot ResultNodal SolutionTemperature重新進(jìn)入前處理，改變單元，定義結(jié)構(gòu)材料1、選擇 “Main MenuPreprocessorElement TypeSwitch Elem Type 選擇 Thermal to Structure。2、選擇 “Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete ,點(diǎn)擊 Option ,將結(jié)構(gòu)單元設(shè)置為軸對(duì)稱。3、選擇 “Main MenuPreprocessorMaterial PorpsMateria

12、l Models ,輸” 入材料的 EX 為 28E6 , PRXY 為 0.3 , ALPX 為 0.9E-5。精品文檔精品文檔定義對(duì)稱邊界條件1、選擇Utility MenuSelectEntitiesNo desBy locationY coordinates From Full ;輸入0，點(diǎn)擊Apply ;2、選擇 “Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationY coordinates Also select，輸入 1，點(diǎn)擊 Apply ;3、選擇 “Main MenuSolutionApplyDisplacementSymmetry B.C.

13、 On Nodes，點(diǎn)擊 Pick All ,選擇 Y axis，點(diǎn)擊 OK;施加管內(nèi)壁壓力1、選擇 “Utility MenuSelectEntitiesNodesBy locationX coordinates From Full ;輸入 5,點(diǎn)擊 OK;2、選擇 “Main MenuSolutionApplyPressureOn nodes 點(diǎn)擊 Pick All, 輸入1000。置參考溫度1、選擇 “Utility MenuSelectSelect Everything 。2、選擇 “Main MenuSolution-Loads-SettingRefe rence Temp”輸入 7

14、0。讀入熱分析結(jié)果1、選擇 “Main MenuSolutionApplyTemperatureFrom Thermal Analysis :選擇 PIPE_FIN.rth 。求解選擇 “Main MenuSolutionSolve Current LS后處理選擇 “Main MenuGeneral PostproPlot ResultNodal SolutionStressVon Mises?！憋@示等效應(yīng)力。7.3.3 等效的命令流方法/filename,pipe_fin/TITLE,Thermal-Stress Analysis of a cooling fin/prep7!進(jìn)入前處理et

15、,1,plane55!定義熱單元精品文檔精品文檔keyopt,1,3,1!定義軸對(duì)稱 mp,kxx,1,1.25!定義導(dǎo)熱系數(shù) k,1,5!建模k,2.6k,3,12k,4,12,0.25k,5,6,0.25k,6,6,1k,7,5,1k,8,5,0.25a,1,2,5,8a,2,3,4,5a,8,5,6,7esize,0.125!定義網(wǎng)格尺寸amesh,all!劃分網(wǎng)格eplotfinish/solu!熱分析求解nsel,s,10Gx,5!選擇內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)sf,all,conv,1,450!施加對(duì)流邊界條件 nsel,s,loc,x,6,12!選擇外表面節(jié)點(diǎn) nsel,r,loc,y,0.25

16、,1nsel,a,10Gx,12sf,all,conv,0.25,70!施加對(duì)流邊界條件 nsel,all/pse,conv,hcoef,1nplotsolve!求解生成PIPE_FIN.rth文件finish/post1plnsol,temp!得到溫度場(chǎng)分布finish精品文檔精品文檔/prep7 !重新進(jìn)入前處理etchg,tts!將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元plane42keyopt,1,3,1!定義軸對(duì)稱特性mp,ex,1,28e6!定義彈性模量mp,nuxy,1,0.3!定義泊松比mp,alpx,1,0.9e-5!定義熱膨脹系數(shù)finish/solu!進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析求解nsel,s,loc,

17、y,0!選擇對(duì)稱邊界nsel,a,loc,y,1dsym,symm,y!定義對(duì)稱條件nsel,s,10Gx,5!選擇內(nèi)表面sf,all,pres,1000!施加壓力邊界條件nsel,all/pbc,all,1/psf,pres,1nplottref,70!設(shè)定參考溫度ldread,temp,rth!讀入 PIPE_FIN.rth 節(jié)點(diǎn)溫度/pbc,all,0/psf,pres,0 分布/pbf,temp,1eplotsolve!求解finish/post1,plnsol,s,eqv!得到等效應(yīng)力finish精品文檔精品文檔7.4直接法熱應(yīng)力分析實(shí)例問題描述兩個(gè)同心圓管之間有一個(gè)小間隙，內(nèi)管中突

18、然流入一種熱流體，求經(jīng)過 3分 鐘后外管表面的溫度。已知條件：管材彈性模量：2E11N/m2熱膨脹系數(shù)：5E-41/ oF泊松比：0.3導(dǎo)熱系數(shù)：10W/m.oC密度：7880Kg/m3比熱：500J/Kg.oC外管外半徑：0.131 m外管內(nèi)半徑：0.121 m內(nèi)管外半徑：0.12m內(nèi)管內(nèi)半徑：0.11m流體溫度：300oC流體與內(nèi)管內(nèi)壁對(duì)流系數(shù)：300W/m2.oC內(nèi)、外管接觸熱導(dǎo)：0.1W/oC命令流方法/filename,contact_thermal/title,contact_thermal example/prep7et,1,13,4,1!選擇直接耦合單元 PLANE13 ,單元

19、自由度為ux,uy,temp!定義為軸對(duì)稱et,2,48!定義結(jié)構(gòu)接觸單元keyopt,2,1,1!設(shè)定接觸單元的相應(yīng)選項(xiàng)精品文檔精品文檔keyopt,2,2,1keyopt,2,7,1r,2,2e11,0,0.0001,0.1! 定義接觸單元實(shí)常數(shù)mp,ex,1,2e11!定義管材結(jié)構(gòu)及熱屬性mp,alpx,1,5e-5mp,kxx,1,10mp,dens,1,7880mp,c,1,500rect,0.11,0.12,0,0.02! 建模rect,0.121,0.131,0,0.02amesh,allnsel,s,loc,x,0.11!將內(nèi)管內(nèi)壁的X方向位移及溫度耦合cp,1,ux,allcp,2,temp,allnsel,s,loc,x,0.12!將內(nèi)管外壁的X方向位移及溫度耦合cp,3,ux,allcp,4,t